第1章_半導(dǎo)體二極管及整流電路

1、第一章第一章 半導(dǎo)體二極管及整流電路半導(dǎo)體二極管及整流電路1.1 PN結(jié)結(jié)一半導(dǎo)體一半導(dǎo)體1半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體，平時(shí)會(huì)激發(fā)少量的自由電子和空穴，因而具有微弱的導(dǎo)電性；當(dāng)溫度升高或受到光照時(shí)，激發(fā)的自由電子和空穴對會(huì)增多，導(dǎo)電能力加強(qiáng)。常見的半導(dǎo)體材料有硅（Si，14號(hào)）和鍺（Ge，32號(hào)）。硅硅( (鍺鍺) )的原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型簡化模型慣性核慣性核價(jià)電子價(jià)電子束縛電子束縛電子硅硅( (鍺鍺) )的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)自自由由電電子子空空穴穴空穴可在共空穴可在共價(jià)鍵內(nèi)移動(dòng)價(jià)鍵內(nèi)移動(dòng)2半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 載流子：物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子； 少數(shù)載流子：半導(dǎo)體

2、通過熱激發(fā)（本征激發(fā)）產(chǎn)生的載流子，數(shù)量較少； 多數(shù)載流子：通過摻入雜質(zhì)形成的載流子，數(shù)量較多； 復(fù)合：當(dāng)自由電子遇到空穴后會(huì)“跌”入空穴，形成共價(jià)鍵，從而使自由電子和空穴同時(shí)消失的過程。+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子電子電子 少子少子載流子數(shù)載流子數(shù) 空穴數(shù)空穴數(shù)P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3P型半導(dǎo)體：在純凈的半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素（如硼、鎵等）后，形成的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體，這種半導(dǎo)體主要靠帶正電的空穴導(dǎo)電。N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由電子自由電子電子電子為為多多數(shù)載流數(shù)載流子子空穴空穴為為少少數(shù)載流數(shù)載流子子載流子數(shù)載流子數(shù) 電子數(shù)

3、電子數(shù)4N型半導(dǎo)體：在純凈的半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素（如磷、砷等）后，形成的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體，這種半導(dǎo)體主要靠帶負(fù)電的自由電子導(dǎo)電。問 題 ?純凈半導(dǎo)體帶什么電？(正電、負(fù)電、不帶電）P型半導(dǎo)體帶什么電？(正電、負(fù)電、不帶電）N型半導(dǎo)體帶什么電？(正電、負(fù)電、不帶電）半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后其導(dǎo)電能力有何變化？溫度升高后，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力有何變化？光照加強(qiáng)后，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力有何變化？二二. PN結(jié)及其單向?qū)щ娦裕航Y(jié)及其單向?qū)щ娦裕?. PN結(jié)的形成：把N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體放在一起，在兩者的交界處將形成PN結(jié)。P型N型因?yàn)闈舛炔?，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)擴(kuò)散運(yùn)

4、動(dòng)動(dòng)，所形成的電流稱為擴(kuò)散電擴(kuò)散電流流。載流子在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)。所形成的電流稱為漂移電流漂移電流。 多子擴(kuò)散 形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場 少子漂移 擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)內(nèi)電場的方向內(nèi)電場的方向復(fù)合復(fù)合視頻：PN結(jié)的形成2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)內(nèi)電場方向：由N區(qū)指向P區(qū)； 正偏電壓：如果P區(qū)電位高于N區(qū)電位，則稱PN結(jié)加上正偏電壓，或稱為PN結(jié)正偏； 反偏電壓：如果P區(qū)電位低于N區(qū)電位，則稱PN結(jié)加上反偏電壓，或稱為PN結(jié)反偏；內(nèi)電場的方向內(nèi)電場的方向內(nèi)電場的方向外電場的方向PN外電場與內(nèi)電場相反阻止少子漂移促進(jìn)多子擴(kuò)散擴(kuò)散電流(較大)此時(shí)我們說

5、此時(shí)我們說PN結(jié)結(jié)導(dǎo)通導(dǎo)通。PN結(jié)正偏時(shí)：外電場與內(nèi)電場相反阻止多子擴(kuò)散促進(jìn)少子漂移漂移電流(很小)此時(shí)我們說此時(shí)我們說PN結(jié)結(jié)截止截止。PN結(jié)反偏時(shí)：內(nèi)電場的方向外電場的方向PNPN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕寒?dāng)PN結(jié)加上足夠大的正偏電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)形成較大的擴(kuò)散電流，我們認(rèn)為PN結(jié)導(dǎo)通；當(dāng)PN結(jié)加上反偏電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)形成很小的的漏電流，我們認(rèn)為PN結(jié)截止。也就是說：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有單向?qū)щ娦浴?-2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一一. 二極管二極管的結(jié)構(gòu)及類型的結(jié)構(gòu)及類型1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線并用管殼封裝起來，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡稱二極管。2 . 外形和符號(hào)外形和

6、符號(hào)：陽極陽極（+ +）陰極陰極（）P PN N3 . 類型類型： 按工藝：點(diǎn)接觸型、面接觸型； 按材料；硅管、鍺管等； 按用途：普通、整流、檢波、穩(wěn)壓、開關(guān)、發(fā)光、 變?nèi)荨⒐饷舻?。二? 二極管二極管的伏安特性的伏安特性1. 概念概念： 流過二極管的電流 iD與加于二極管兩端的電壓UD之間的關(guān)系或曲線。2. 二極管二極管的伏安特性曲線：的伏安特性曲線：正向特性正向特性-60 -40 -200.4 0.8 U /V0403020I /mA10 死區(qū)死區(qū):外電場不足以克服內(nèi)電場,電流幾乎為零。 正向壓降正向壓降:二極管充分導(dǎo)通后兩端電壓幾乎不變,稱為正向?qū)妷夯蛘驂航?硅管一般為0.60.8

7、V,常取0.7V,鍺管一般為0.10.3V,常取0.2V。反向特性反向特性二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線 反向飽和電流反向飽和電流:二極管反偏時(shí)，由于少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的漂移電流。 該電流很小且不隨電壓而改變，一般可忽略為零。 當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，二極管的反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。 反向擊穿時(shí)二極管兩端電壓幾乎保持不變，此電壓稱為反向擊穿電反向擊穿電壓壓VB。穩(wěn)壓二極管正是根據(jù)此特性制成。VB -60 -40 -200.4 0.8 U /V0403020I /mA10 最大整流電流IF：指管子長期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。 最高反向工作電壓URM：二極

8、管運(yùn)行時(shí)允許承受的最大反向電壓（約為VB 的一半）。 反向漏電流IS：指管子未擊穿時(shí)的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?最高工作頻率fm：主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小。：正向電阻為零，正向?qū)〞r(shí)為短路特性，正向壓降忽略不計(jì)；反向電阻為無窮大，反向截止時(shí)為開路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。三三. 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)以后若不特別說明，均用理想二極管模型分析二極管電路！以后若不特別說明，均用理想二極管模型分析二極管電路！四四. 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管的檢測的檢測五五. 特殊半導(dǎo)體二極管特殊半導(dǎo)體二極管1. 穩(wěn)壓二極管：穩(wěn)壓二極管：穩(wěn)壓二極管，是指穩(wěn)壓二極管，是指利

9、用利用PN結(jié)在反向擊穿狀態(tài)下，結(jié)在反向擊穿狀態(tài)下，其其電流可在電流可在很大范圍內(nèi)很大范圍內(nèi)變化而變化而電壓基本不變的現(xiàn)象，制成電壓基本不變的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管的起穩(wěn)壓作用的二極管。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有穩(wěn)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有穩(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流、動(dòng)態(tài)電定電壓、穩(wěn)定電流、動(dòng)態(tài)電阻、最大耗散功率等。阻、最大耗散功率等。穩(wěn)壓二極管的典型應(yīng)用電路穩(wěn)壓二極管正常工作于反向擊穿狀態(tài)！2. 光電二極管：光電二極管：光電二極管又稱光敏二光電二極管又稱光敏二極管，和穩(wěn)壓二極管一樣，極管，和穩(wěn)壓二極管一樣，其其PN結(jié)也是工作在反偏狀態(tài)。結(jié)也是工作在反偏狀態(tài)。其特點(diǎn)是：反向電流大小隨其特點(diǎn)是：反向電流大小隨光照

10、強(qiáng)度的變化而變化。光光照強(qiáng)度的變化而變化。光電二極管常用在光電轉(zhuǎn)換控電二極管常用在光電轉(zhuǎn)換控制器件或光的測量傳感器中。制器件或光的測量傳感器中。3. 變?nèi)荻O管：變?nèi)荻O管：變?nèi)荻O管是利用變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)結(jié)在反偏狀態(tài)時(shí)，其等效電容在反偏狀態(tài)時(shí)，其等效電容會(huì)隨反偏電壓變化而變化的會(huì)隨反偏電壓變化而變化的特點(diǎn)制作面成。反偏電壓越特點(diǎn)制作面成。反偏電壓越大，結(jié)電容越小。常用在彩大，結(jié)電容越小。常用在彩色電視機(jī)的高頻頭中作電視色電視機(jī)的高頻頭中作電視頻道選擇或其他需要用電壓頻道選擇或其他需要用電壓來控制電容的場合。來控制電容的場合。4. 發(fā)光二極管：發(fā)光二極管：發(fā)光二極管又簡稱為發(fā)光二極管又簡

11、稱為LED，當(dāng)有電流流過時(shí)，當(dāng)有電流流過時(shí)，它能發(fā)出一定顏色的光，發(fā)光顏色由半導(dǎo)體材料決它能發(fā)出一定顏色的光，發(fā)光顏色由半導(dǎo)體材料決定。當(dāng)流過發(fā)光二極管的電流在定。當(dāng)流過發(fā)光二極管的電流在1030mA時(shí)，其時(shí)，其正向壓降為正向壓降為1.53V。發(fā)光二極管常用于作指示或。發(fā)光二極管常用于作指示或顯示器件，目前也用于高效光源。顯示器件，目前也用于高效光源。1-3 單相整流電路單相整流電路一一. 單相半波整流電路單相半波整流電路1電路結(jié)構(gòu)2工作原理：正半周時(shí)二極管正偏導(dǎo)通，負(fù)半周時(shí)二極管反偏截止。半波整流波形圖 單相半波整流電路 思考：以下半波整流電路以及輸出極性標(biāo)注是否正確？（1）（2）（3）3輸

12、出電壓)(2120otduUo)(sin22102tdtU=0.45U24二極管的選擇原則：反向擊穿電壓大于輸入峰值電壓：整流電流大于負(fù)載平均電流：2RM2UULRUII2LF45. 0單相半波整流電路的特點(diǎn)：電路簡單；輸出電壓低，脈動(dòng)幅度大，變壓器中流過直流電流，存在直流磁化現(xiàn)象，變壓器利用率低。一般用于小功率電源整流電路。單相橋式整流電路 二二. 單相橋式整流電路單相橋式整流電路1電路結(jié)構(gòu)2工作原理：+-+-（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）思考：以下橋式整流電路是否正確，如果正確ad 各點(diǎn)應(yīng)如何連接？練習(xí)：需要使用四個(gè)二極管構(gòu)成橋式整流電路并給

13、負(fù)載電阻RL供電，請完成以下電路。（a）（b）3單相橋式整流電路輸出電壓)(2120otduUo)(sin2102tdtU=0.9U24二極管的選擇原則：反向擊穿電壓大于輸入峰值電壓：整流電流大于負(fù)載平均電流：2RM2UULRUII2LF45. 021單相橋式整流電路的特點(diǎn)：使用四只二極管；輸出電壓比半波整流提高一倍低，脈動(dòng)減小，變壓器中流過交流電流，不存在直流磁化現(xiàn)象，變壓器利用率提高。在實(shí)際整流電路中應(yīng)用較多。單相全波整流電路 三三. 單相全波整流電路（補(bǔ)充）單相全波整流電路（補(bǔ)充）特點(diǎn)：使用兩只二極管；輸出波形及電壓與橋式整流相同，變壓器需要中間抽頭。單相全波整流電路 輸出雙極性電壓的整

14、流電路 四四.輸出雙極性電壓的整流輸出雙極性電壓的整流電路（補(bǔ)充）電路（補(bǔ)充）特點(diǎn)：使用四只二極管；能同時(shí)輸出正負(fù)電壓，變壓器需要中間抽頭。正負(fù)對稱電源的典型整流電路。【例11】讓樓梯、走廊照明燈延長壽命的方法之一是在電路中串入一只整流二極管，如圖所示，請回答以下問題：（1）在燈兩端標(biāo)出電壓的極性；（2）計(jì)算燈兩端電壓；（3）選擇合適的二極管。-+解：（1）在燈兩端標(biāo)出電壓的極性；（2）計(jì)算燈兩端電壓；UL=0.45U2=0.45220=99V（3）選擇合適的二極管。V30922RMUU82mAmA21. 199LFLLRUII)k(21. 14022022LPUR可選擇1N4005（URM6

15、00V，IF=1A）1-4 無源基本濾波電路無源基本濾波電路一一. 電容濾波電路電容濾波電路1電路結(jié)構(gòu)： 電容器與負(fù)載并聯(lián)2工作原理： 利用電容器通交流、阻直流的特性實(shí)現(xiàn)濾波3輸出電壓：全波整流：UO=(0.91.4)U2（通常取1.2）半波整流：UO=(0.451.4)U2（通常取1.0）4特點(diǎn)：電容越大，負(fù)載電流越小，濾波效果就越好，適用于小電流負(fù)載場合。5濾波電容選擇：全波整流：半波整流：T為交流電周期；電容耐壓1.4 U2LRT2C(35)LRTC(35)二二. 電電感感濾波電路濾波電路1電路結(jié)構(gòu)： 電感器與負(fù)載串聯(lián)2工作原理： 利用電感器通直流阻交流的特性實(shí)現(xiàn)濾波3特點(diǎn)：電感越大，負(fù)

16、載電流越大，濾波效果就越好，適用于大電流負(fù)載場合。電感濾波后輸出電壓略小于整流后的電壓。三三. 復(fù)式濾波電路復(fù)式濾波電路1電路結(jié)構(gòu)： 由電感（或電阻）與電容一起組成濾波電路；2特點(diǎn)：電壓略有衰減，濾波效果好。1-5 整流整流濾波電路應(yīng)用舉例濾波電路應(yīng)用舉例【例12】圖示是供給75W功放模塊的雙30V正負(fù)電源電路：分析30V電壓獲得的原理；選擇二極管的型號(hào)；若測得A端對地電壓實(shí)為22V，問電路可能是哪個(gè)元件出現(xiàn)了故障；組裝時(shí)若將二極管VD3正負(fù)極接反了，電路會(huì)出現(xiàn)什么情況。練習(xí)題：P16：7，8，9，10。思考題：P16：1，2，3，4，5；小小 結(jié)結(jié)無電容濾波無電容濾波有電容濾波有電容濾波半波

17、整流0.45U2(0.451.4)U2一般取1.0U2全波（橋式）整流0.9U2(0.91.4)U2一般取1.2U2整流電路輸出電壓平均值Uo題9 圖題10 圖 例題：如圖所示電路，已知輸入端A的電位UA=3V，B的電位UB=0V，電阻R接-12V電源，求輸出端F的電位。ABRF-12VVD1VD2二極管電路的分析步驟二極管電路的分析步驟:1. 假設(shè)所有二極管全部斷開；2. 求出各二極管兩端電位；3. 若二極管正偏（UP UN）則導(dǎo)通，若反偏則截止；-12V3V0V4. 二極管導(dǎo)通則可視為短路（可用導(dǎo)線代替），截止則可視為開路；5. 注意若有多個(gè)二極管同時(shí)正偏，則讓電壓高的先導(dǎo)通，導(dǎo)通后重新判斷其余各二極管兩端電位。3VVD1導(dǎo)通。導(dǎo)通。VD2截止。截止。UF=3V。練練 習(xí)習(xí) ：判斷以下電路中各二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出A、B間的電壓UAB。AB1K12VVD1VD21K9V6V3VRABVD13V6V0VVD1截止。截止。UAB=6V。0V0V-9V-12V-6VVD1導(dǎo)通。導(dǎo)通。VD2截止。截止。UAB= -6V。 例題：如圖所示電路，已知輸入電壓Ui=10Sin(t)V，電源電動(dòng)勢 E=5V。二極管