《电工及电子技术基础课件：第九章 晶体二极管与直流稳压电源》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工及电子技术基础课件：第九章 晶体二极管与直流稳压电源（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、9.1 9.1 半导体的基础知识半导体的基础知识9.2 9.2 晶体二极管晶体二极管9.3 9.3 直流稳压电源直流稳压电源第九章第九章 晶体二极管与直流稳压电源晶体二极管与直流稳压电源19.1 9.1 半导体的基础知识半导体的基础知识1 1、物理基础、物理基础导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体
2、之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。22 2、半导体的导电特性、半导体的导电特性 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。3 3 3、本征半导体、本征半导体1 1）本征半导体的结构特点）本征半导体的结构特点GeSi（完全纯净的、结构完整的半导体晶体）（完全纯净的、结构完整的半导体晶体）现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，用的最
3、多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。的最外层电子（价电子）都是四个。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。4硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本
4、征半导体的导电能力很弱。52)2)本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即即自由电子自由电子和和空穴空穴。在在绝绝对对0度度（T=0K）和和没没有有外外界界激激发发时时, ,价价电电子子完完全全被被共共价价键键束束缚缚着着，本本征征半半导导体体中中没没有有可可运运动动的的带带电电粒粒子子（即即载载流流子子），它它的的导导电电能能力力为为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在在常常温温下下，由由于于热热激激发发，使使少少数数价价电电子子获获得得足足够够的的能能量量而而脱脱离离共共价价键键的的束束缚缚，成成为为自自由由电
5、电子子，同同时时共共价价键键上上留留下下一一个个空空位位，称称为为空空穴穴。二二者总是成对出现的者总是成对出现的, ,同时又不断复合。同时又不断复合。6+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子原子因失去一个价电子而带正电，可以说空穴带正电。原子因失去一个价电子而带正电，可以说空穴带正电。7+4+4+4+4在在外外力力的的作作用用下下，空空穴穴吸吸引引附附近近的的电电子子来来填填补补，这这样样的的结结果果相相当当于于空空穴穴的的迁迁移移，而而这这个个电电子子原原来来的的位位置置又又留留下下新新空空位位，其其他他电电子子又又可可转转到到此此位位置置若在本征半导体两端加外电场，若在本
6、征半导体两端加外电场，半导体半导体中将出现两部中将出现两部分电流：分电流： 1. 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。8温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力也就越强，温度是影响半导体性能的一个重要能力也就越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的另一大特点。的外部因素，这是半导体的另一大特点。本本征征半半导导体体的的导导电电能能力力取取决决于于载载流流子子的的浓浓度度。半半导导体体中中同同时时存存在在电电子子导导电电和和空空穴穴导导电电，这这是是半半
7、导导体体导导电电的的最最大大特特点点，也也是是半半导导体体与与金金属属在在导导电电机机理上的本质区别。理上的本质区别。94 4、杂质半导体、杂质半导体P P 型型半半导导体体：空空穴穴浓浓度度大大大大增增加加的的杂杂质质半导体，也称为空穴半导体。半导体，也称为空穴半导体。N N 型型半半导导体体：自自由由电电子子浓浓度度大大大大增增加加的的杂杂质质半半导导体体，也也称称为为电电子子半半导体。导体。 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半
8、导体的某种载流子浓度大大增加。10+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子 在硅或锗的晶在硅或锗的晶体中掺入微量的五体中掺入微量的五价元素（价元素（P P）。）。1 1、由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。、由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。1)N 1
9、)N 型半导体型半导体112)P2)P 型半导体型半导体P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子 在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中掺入微量的三价中掺入微量的三价元素（元素（B B）。）。123)3)杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等认为多子与杂质浓度相等。P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体13 1 1）PN PN 结的
10、形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型半导型半导体和体和N N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN PN 结。结。5 5、PNPN结结14P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。15漂移运动漂移运动P P型半导
11、体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。16浓度差浓度差扩散运动扩散运动内电场内电场阻碍扩散运动阻碍扩散运动利于漂移运动利于漂移运动PN PN 结的形成过程小结结的形成过程小结扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动内电场内电场内电场不变内电场不变扩散运动和漂移运动扩散运动和漂移运动动态平衡动态平衡171 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区
12、中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P区中的空穴、区中的空穴、N区区中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩扩散运动散运动）。）。3 3、P 区区中中的的电电子子和和 N区区中中的的空空穴穴（都都是是少少子子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。，数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意: :18+REa a）PNPN结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流较大的扩散电流。2 2）PNPN结的单向导电性结的单向导电性19b b）PNPN结反向偏置结反向偏
13、置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内内电电场场被被加加强强，多多子子的的扩扩散散受受抑抑制制，少少子子漂漂移移加加强强，但但少少子子数数量量有有限限，只只能能形形成成较较小小的的反反向向电电流流。RE209.2 9.2 晶体二极管晶体二极管1 1、基本结构、基本结构PN PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号二极管的电路符号：21半导体二极管图片2223 2 2、伏安特性、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管0
14、0.2V.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.6-0.7V,0.6-0.7V,锗锗管管0.20.2-0.3V-0.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR243、主要参数、主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。为了防止二极管反向击穿而规定的最高反向为了防止二极管反向击穿而规定的最高反向工作电压。工作电压。击穿时反向电流剧增，二极管的击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。最高最高反向工作电压一般为反向击穿电压的一半或反向工作电
15、压一般为反向击穿电压的一半或三分之二。三分之二。 2. 最高反向工作电压最高反向工作电压25指二极管加上最大反向工作电压时的反向电流。反指二极管加上最大反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。流要比硅管大几十到几百倍。3. 最大反向电最大反向电流流二极管主要用于二极管主要用于整流、限幅、保护电路中。整流、限幅、保护电路中
16、。26 二极管电路分析举例二极管电路分析举例二极管电路分析举例二极管电路分析举例 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止否则，正向管压降否则，正向管压降否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅硅硅0 0 0 0.60.7V.60.7V锗锗锗锗0 0.2.20.3V0.3V 分析方法：分析方法：分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压的高低或所加电压的高低或所加电压的高低或所加电压U UD D的正负。的正负。的正负。的正负。若若若若 V V
17、阳阳阳阳 VV阴阴阴阴或或或或 U UD D为正为正为正为正( ( 正向偏置正向偏置正向偏置正向偏置 ) )，二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管导通若若若若 V V阳阳阳阳 VVV阴阴阴阴 二极管导通二极管导通二极管导通二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，U UABAB = = 6V6V否则，否则，否则，否则， U UABAB低于低于低于低于6V6V一个管压降，为一个管压降，为一个管压降，为一个管压降，为6.36.3或或或或6.7V6.7V例例1： 取取取取 B B 点作参考点，点作参
18、考点，点作参考点，点作参考点，断开二极管，分析二断开二极管，分析二断开二极管，分析二断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电极管阳极和阴极的电极管阳极和阴极的电极管阳极和阴极的电位。位。位。位。 在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。 D6V12V3k BAUAB+28两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起取取取取 B B 点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极管，分析二极管阳极和阴极管，分析二极管阳极和阴极管
19、，分析二极管阳极和阴极的电位。的电位。的电位。的电位。V V1 1阳阳阳阳 = =6 V6 V，V V2 2阳阳阳阳=0 V=0 V，V V1 1阴阴阴阴 = = V V2 2阴阴阴阴= = 12 V12 VU UD1D1 = 6V = 6V，U UD2D2 =12V =12V U UD2D2 U UD1D1 D D2 2 优先导通，优先导通，优先导通，优先导通， D D1 1截止。截止。截止。截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，U UABAB = 0 V= 0 V例例2:D D1 1承受反向电压
20、为承受反向电压为承受反向电压为承受反向电压为6 V6 V流过流过流过流过 D D2 2 的电流为的电流为的电流为的电流为求：求：求：求：U UABAB 在这里，在这里，在这里，在这里， D D2 2 起起起起钳位作用，钳位作用，钳位作用，钳位作用， D D1 1起起起起隔离作用。隔离作用。隔离作用。隔离作用。 BD16V12V3k AD2UAB+29u ui i 8V 8V，二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路 u uo o = 8V = 8V u ui i 8V 0 0 时，二极管时，二极管导通。导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管
21、正向压降：忽略二极管正向压降： uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u u2 200 时时D D1 1, ,D D3 3导通导通D D2 2, ,D D4 4截止截止电流通路电流通路: :A D1RLD3Bu2uC时时，二极管导通，二极管导通，电源在给负载电源在给负载RL供电的供电的同时也给电容充电，同时也给电容充电， uC 增加，增加，uo= uC 。 u u2 2 u uC时时时时，二极管截止，电容通过负载，二极管截止，电容通过负载，二极管截止，电容通过负载，二极管截止，电容通过负载R RL L 放电，放电，放电，放电，u uC C按指数规律下降，按指数规律下降，按指数规律下降，按指
22、数规律下降， u uo o= = u uC 。44(2) (2) 流过二极管瞬时电流很大。流过二极管瞬时电流很大。R RL LC C 越大越大U Uo o越高越高负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大; ;二极管导通时间越短二极管导通时间越短二极管的瞬时电流越大二极管的瞬时电流越大2 2）电容滤波电路特点电容滤波电路特点(1) (1) 输输出出电电压压的的脉脉动动程程度度得得到到改改善善，脉脉动动程程度度与与放放电电时时间间常常数数R RL LC C 有有关关，输输出出电电压压平平均均值值U Uo o得得到到提高提高。R RL LC C 愈大愈大电容器放电愈慢电容器放电愈慢U Uo o( (
23、平均值平均值) )愈大愈大一般取一般取(T T: :电源电压的周期电源电压的周期) )近似估算近似估算:Uo=1.2U2 ( 桥式、全波）桥式、全波） ， （半波）（半波）20UU =45au1u2u1bRLCD4D2D1D3+u1DZR整流整流滤波滤波稳压稳压1）最简单的直流稳压电路）最简单的直流稳压电路3 3、 稳压电路稳压电路46uoiZDZRiLiRuiRL引起负载电压不稳的原因？引起负载电压不稳的原因？分析：分析：1、 变化，变化，2、 变化变化1） 不变，不变， 变大变大2 2） 不变，不变， 变大变大472 2）集成稳压电路）集成稳压电路481端端: 输入端输入端2端端: 公共端
24、公共端3端端: 输出端输出端W7800系列稳压器外形系列稳压器外形1端端: 公共端公共端2端端: 输入端输入端3端端: 输出端输出端W7900系列稳压器外形系列稳压器外形49注：注：型号后型号后XX两位数字代表输出电压值两位数字代表输出电压值固定式三端集成稳压器固定式三端集成稳压器输出电压额定电压值有输出电压额定电压值有:5V、9V、12V 、18V、 24V等等 。三端集成三端集成稳压器稳压器固定式固定式可调式可调式正稳压正稳压W78XXW78XX负稳压负稳压W79XXW79XX1 1）集成稳压电源的分类）集成稳压电源的分类50 （1 1）输出固定电压的电路）输出固定电压的电路 2 2）应用电路）应用电路注意：注意：输入与输出端之间的电压不得低于输入与输出端之间的电压不得低于3V3V！+_W7800系列稳压器系列稳压器 基本接线图基本接线图CoW7800CIUI+_Uo1321F51（2 2）输出正负电压的电路）输出正负电压的电路正负电压同时输出电路正负电压同时输出电路W78XXCIUI+ _UO132+ _CIW79XX13COCO2UO52第九章第九章结束结束53
