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1、第八章第八章 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路第二节第二节 二极管整流电路二极管整流电路 第三节第三节 滤波电路滤波电路 第四节第四节 稳压管及稳压电路稳压管及稳压电路 第一节第一节 半导体的导电特性及半导体的导电特性及PNPN结结 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，金属一般都是导体。金属一般都是导体。 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，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。橡皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一，
2、如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。些硫化物、氧化物等。第一节第一节 半导体的导电特性及半导体的导电特性及PNPN结结 半导体的导电机理不同于其它物质，所半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：以它具有不同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，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。会使它的导电能力明显改变。在热力学温度零度在热力学温度零度和没有外界激发时和没有外界激发时,本征半导体不导电。本征半导体不导电。 把纯净的没有结把纯净的没有结
3、构缺陷的半导体单晶构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。称为本征半导体。 它是共价键结构。它是共价键结构。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子 一、半导体的导电特性一、半导体的导电特性 +4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本征激发本征激发复合复合在常温下自由电子和空穴的形成在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对出现成对消失成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向外电场方向外电场方向外电场方向空穴导电的空穴导电的实质是共价实质是共价键中的束缚键中的束缚电子依次填电子依次填补空穴形成补空穴形成
4、电流。故半电流。故半导体中有电导体中有电子和空穴两子和空穴两种载流子。种载流子。 空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 1.两种载流子两种载流子 价电子填补空穴价电子填补空穴结论结论1.本征半导体中存在数量相等的两种载流本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。3.温度越高，载流子的浓度越高。因此本温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，征半导体的导电能力越强，温度是影响半导温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。的一大特点。2.本征半导体的导电能力取决于载流子本征半
5、导体的导电能力取决于载流子的浓度。的浓度。+4+4+4+4+4+4+4+42.2.两种半导体两种半导体（1） N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中中 掺入少量的掺入少量的五价元五价元 素素,如磷如磷,则形成则形成N型半导型半导体。体。 磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导中型半导中,电子是多数载流子电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴（2） P型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体
6、中 掺入少量的三价元掺入少量的三价元 素素,如硼如硼,则形成则形成P 型型半导体。半导体。 +4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子 P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子1.N型半导体中电子是多子型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子流，由于数量的关系，起导电作用
7、的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。2.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。结论结论P 区区N 区区1. PN 结的形成结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上, ,形成形成 P型半导体区域型半导体区域 和和 N型半导体区域型半导体区域, ,在这两个区域的交界处就形成了一个在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。结。N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向二、二、PN
8、结及其单向导电性结及其单向导电性多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RI2. PN 2. PN 结的单向导电性结的单向导电性P 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄
9、空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流（1 1） 外加正向电压外加正向电压P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR（2 2） 外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行1、空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。、空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍扩散运动扩散
10、运动的进的进行。（扩散运动为多子形成的运动）行。（扩散运动为多子形成的运动）3、少子少子数量有限，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。4、PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。 正向偏置正向偏置： P区区加正、加正、N区加负电压区加负电压 多子运动增强，多子运动增强，PN结导通结导通 反向偏置：反向偏置：P区区加负、加负、N区加正电压区加正电压 少子运动增强，少子运动增强，PN结截止结截止结论结论 正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管1.1.二极管的结构和符号二极管的结构和符号二极管的符号二极管的符号正极正极
11、负极负极三、三、 半导体二极管半导体二极管 正极引线正极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型区型区负极引线负极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅PN结结PN结结二极管的型号例如：2 C K 18 序号 （K-开关、W-稳压、Z- 功能 整流、P-检波） （A、B-锗） 材料（C、D-硅） 二极管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,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)小结：小结：（1）二极管正向电压很）二极管正向电压很 小时，有死区。小时，有死区。（2）二极管正向导通时）
12、二极管正向导通时 管压降基本固定。管压降基本固定。 导通电阻很小。导通电阻很小。（3）二极管反向截止时，）二极管反向截止时， 反向电流很小，并反向电流很小，并 几乎不变，称反向几乎不变，称反向 饱和电流。饱和电流。（4）反向电压加大到一）反向电压加大到一 定程度二极管反向定程度二极管反向 击穿。击穿。3.3.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正二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。（2）反向击穿电压）反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管
13、的单向导电性被破坏，甚至过热而剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是一般是UBR的一半。的一半。（3 3）最大反向电流）最大反向电流 I IRMRM指二极管加最大反向工作电压时的反向电流。指二极管加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，因此反反向电流大，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，温度向电流越小越好。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，锗管越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。的反向电
14、流要大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等例例1. 1. 试求下列电路中的电流。（二极管为硅管）试求下列电路中的电流。（二极管为硅管） 二极管为非线性元件在分析计算时和以往线性元二极管为非线性元件在分析计算时和以往线性元件不同下面我们以例子说明。件不同下面我们以例子说明。4.4.分析、应用举例分析、应用举例 二极管的二极管的应用范围很广应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。元件保护以及
15、在数字电路中作为开关元件。 其中：其中： US=5V，R=1K解：所示电路中二极管处于导通状态，解：所示电路中二极管处于导通状态，因此：因此：+-USRI二极管为电流控制型元件，二极管为电流控制型元件，R是限流电阻。是限流电阻。 例例2：下图中，已知：下图中，已知VA=3V， VB=0V， VDA 、VDB为锗为锗管，求输出端管，求输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。 解：解： VDA优先导通，则优先导通，则VY=30.3=2.7VVDA导通后导通后, VDB因反偏而截因反偏而截止止,起隔离作用起隔离作用, VDA起钳位作起钳位作用用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在
16、+2.7V。 VDA 12VYABVDBR二极管导通后，管子上的管压降基本恒定。二极管导通后，管子上的管压降基本恒定。第二节第二节 整流电路整流电路一、单相半波整流电路一、单相半波整流电路1. 1. 电路组成电路组成uo to to to to 2 3 uou2u2u1uDioioRLT 2 3 2U22U22U2Im 2 2 3 3 uD2. 2. 工作原理工作原理VDu2正正半周半周负负输出电压平均输出电压平均值（值（U0）：）：输出电压波形输出电压波形：3. 电路计算电路计算uou2u1ioRLTuDVDuO t0 t t t 2 3 uOu2u2u1uDuDiOiOVDRLT 2 3
17、2U22U22U2Im 2 2 3 3 UO=0.45U2 ,IO=UORL =0.45U2RLID= IO ,UDRM=2U2U2=2.22 UOI2= Im2 ,I2=1.57 IO ,IO=Im 000Im=2U2RLVD1和和V VD3导通导通,V,VD2和和V VD4截止截止( (相当于开路相当于开路) )第第8章章 u2Tu1RLuoio2. 整流工作原理整流工作原理 + u2 2正半周正半周二、二、 桥式整流电路桥式整流电路1. 1. 桥式整流工作的组成桥式整流工作的组成 由变压器由变压器 T 和二极管和二极管V D1 VD4 及负载及负载 RL 组成。组成。VD4VD3VD2V
18、D1第第8章章 u2Tu1RLVD4VD3VD2uoio2. 2. 整流工作原理整流工作原理 u2 2负半周负半周 VD1+VD2和和VD4导通，导通，VD1和和VD3截止截止 to to to to 2 3 2 3 2U22U22U2Im 2 2 3 3 uD1uD3uD4uD23. 电压、电流的计算电压、电流的计算UO = 0.9U2 ,0.9U2RLIO=UORL=UDRM =2U2 ,IO= 0.9I2 ,I2 = 1.11 IO , U2 =1.11 UO选用二极管的依据是选用二极管的依据是:ID 应小于应小于IOM (最大整流电流）最大整流电流）UDRM应小于应小于UR M(最高反
19、向工作电压最高反向工作电压)uOu2uDiOID = IO12第第8章章 滤波原理滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件用储能元件电容电容两端的电压两端的电压(或通过或通过电感电感中的电流中的电流)不能突变的特性不能突变的特性, 将将电容电容与负载与负载RL并联并联(或将或将电感电感与负载与负载RL串联串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波
20、形的目的。目的。第三节第三节 滤波电路滤波电路电容电容电容电容充电充电充电充电电容电容电容电容放电放电放电放电二极管导通时给电容充电二极管导通时给电容充电, ,二极管截止时电容向负载放电二极管截止时电容向负载放电. .一、一、 电容滤波电路电容滤波电路1. 1. 电路组成和工作原理电路组成和工作原理第第8章章 u2Tu1RLVD1VD4VD3VD2uoioCuCau0RL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时u2tu0t忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻没有电容时的没有电容时的输出波形输出波形整流电路为电整流电路为电容充电容充电电容通过电容通过RL放电，在整放电，在整流电路电压小于电容电流电路电
21、压小于电容电压时，二极管截止，整压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，流电路不为电容充电，u0会逐渐下降。会逐渐下降。u1u2u1bD4D2D1D3RLSCu2tu0t忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻只有整流电路输只有整流电路输出电压大于出电压大于u0的的时间区间，才有时间区间，才有充电电流。因此充电电流。因此整流电路的输出整流电路的输出电流是脉冲波。电流是脉冲波。整流电路的整流电路的输出电流输出电流RL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时u1u2u1bD4D2D1D3RLSCu02. 2. 工作波形工作波形u2Tu1RLVD1VD4VD3VD2uOiOCuCtiDuO2U20tt1t4t
22、3t22U2IO UO0.9U20.45U2全波整流电容滤波电路的外特性全波整流电容滤波电路的外特性 TUO =1.2U2RLC (35)23. 3. 外特性外特性00uou2uDioVDRLTu1C t0 2 3 2U2Io Uo半波整流电容滤波半波整流电容滤波 电路的外特性电路的外特性2U20.9U20.45U24. 4. 半波整流电容滤波电路半波整流电容滤波电路估算公式估算公式: UO=1.0U2 2UDRM=2U2注意注意注意注意 :UDRu20分析分析RL未接未接入时的情况：入时的情况：u2tu0t整流电路为电整流电路为电容充电容充电充电结束充电结束忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻u
23、2u1bD4D2D1D3RLSCu0一般取一般取(T:电源电压的周期电源电压的周期)（1）近似估算）近似估算:半波半波Uo=U2，全波全波Uo=1.2U2。(3) 流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大RLC越大越大U0越高越高,负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大整流整流管导电时间越短管导电时间越短iD的峰值电流越大的峰值电流越大故一般选管时，取故一般选管时，取2.2.电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点(2) 输出电压输出电压U0与时间常数与时间常数RLC有关，希望有关，希望C足够大。足够大。RLC愈大愈大电容器放电愈慢电容器放电愈慢U0(平均值平均值)愈大，愈大，输出波形随负载
24、电阻输出波形随负载电阻RL或或C的变化而改变的变化而改变,U0也随也随之改变。之改变。如如:RL愈小愈小(I0越大越大),U0下降多。下降多。电容滤波电路适用于输出电压较高电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电负载电流较小且负载变动不大的场合。流较小且负载变动不大的场合。(4)、输出特性、输出特性(外特性外特性):uL电容电容滤波滤波纯电阻负载纯电阻负载1.4U20.9U20IL结论结论二、复式滤波电路二、复式滤波电路1. LC滤波电路滤波电路RLLC 滤波电路输出电压波形更为平滑，滤波电路输出电压波形更为平滑，滤波效果较好。滤波效果较好。Tuou2iou1L C第第8章章TRL2. 型型滤波
25、器滤波器(1) CLC滤波器滤波器(2) CRC滤波器滤波器uou2iou1LC2C1TRLuou2iou1C2C1R第四节第四节 稳压管及稳压电路稳压管及稳压电路IFUF0正向特性正向特性反向激穿区反向激穿区UZIminIZmaxVZ正极正极正极正极负极负极符号符号符号符号伏安特性伏安特性一、稳压管一、稳压管 稳压管是一种特殊的稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。面接触型半导体二极管。 0 稳压管的主要参数稳压管的主要参数1. 稳定电压稳定电压UZ 2. 最小稳定电流最小稳定电流 Imin 3. 最大稳定电流最大稳定电流 IZmax4. 动态电阻动态电阻 RZ IZ UZRZ = IZ
26、UZ5. 电压温度系数电压温度系数 VZT6. 最大允许耗散功率最大允许耗散功率PMIFUFIminIZmax直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成滤波滤波电路电路整流整流电路电路稳压稳压电路电路负负载载变压变压器器交流交流电源电源各部分电路输出波形各部分电路输出波形二、硅稳压管稳压电路二、硅稳压管稳压电路1. 稳压电路的工作原理稳压电路的工作原理TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1稳压稳压当输入电压当输入电压Ui发生变化，发生变化，负载负载RL变化时，输出电压基本不变变化时，输出电压基本不变下面分别以两种情况来讨论：下面分别以两种情况来讨论：U0IZUR=IRR=（IZ+Io）RU0
27、当当Ui增加使增加使U0升高时升高时TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1U0IZUR=IRR=（IZ+Io）RU0当当RL减小，输出电流增加，使减小，输出电流增加，使U0减小时减小时2. 稳压管参数的选择稳压管参数的选择（1）稳压电路稳压的实质是靠稳压管的调节作用）稳压电路稳压的实质是靠稳压管的调节作用 和电阻的补偿作用。和电阻的补偿作用。（2）使用稳压管时必须串联电阻。）使用稳压管时必须串联电阻。 （3）在稳压电路中，稳压管通常为反接；）在稳压电路中，稳压管通常为反接；UZ= UO ，IZmax 2 3 IOmax3. 总结及注意：总结及注意：RLUiUZIZVZUoioRIR1.
28、1.简介简介三、集成稳压器三、集成稳压器1端端: 输入端输入端2端端: 公共端公共端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W78，W79系列内部是：系列内部是：具有放大环节的具有放大环节的串联型晶体管稳压电路串联型晶体管稳压电路串联型稳压电路的组成框图串联型稳压电路的组成框图由五个环节组成由五个环节组成采采采采样样样样环环环环节节节节调整元件调整元件调整元件调整元件比较放大比较放大比较放大比较放大基准电压基准电压基准电压基准电压UoUi整整流流滤滤波波2. 三端集成稳压
29、器基本稳压电路三端集成稳压器基本稳压电路Uo = 12VW7812123Co+UiCi可根据需要可根据需要, 选用选用W78XX, 则则 Uo = XX V。第第8章章输入与输输入与输出端之间出端之间的电压一的电压一般不得低般不得低于于3V3V！3. 3. 3. 3. 同时输出正、负电压的稳压电路同时输出正、负电压的稳压电路同时输出正、负电压的稳压电路同时输出正、负电压的稳压电路W7915W7815CO+15V15VUO1选用不同稳压值的选用不同稳压值的 78XX 和和 79XX, 可构成可构成同时输出不对称正、负电压的稳压电路同时输出不对称正、负电压的稳压电路。UiUO1CiCOCi4.集成稳压电路的主要性能指标集成稳压电路的主要性能指标以以CW7805为例为例最大输入电压：最大输入电压：35V最小输入电压：最小输入电压：7V最大输出电流：最大输出电流：1.5A电压调整率：电压调整率：7.0mV（输入电压变化输入电压变化10%时，输出电压的时，输出电压的 相对变化量。）相对变化量。）输出电阻：输出电阻：17m （输入电压和温度不变时，输出电压变输入电压和温度不变时，输出电压变 化量和输出电流变化量之比的绝对值。）化量和输出电流变化量之比的绝对值。）最大耗散功率：最大耗散功率：15W（必须按规定散热片）必须按规定散热片）第八章第八章 结束结束
