電子技術(shù)：第14章 半導(dǎo)體二極管及整流電路

1、緒 論電子技術(shù)組成：模擬電子技術(shù)：數(shù)字電子技術(shù)：處理連續(xù)的模擬信號處理離散的數(shù)字信號電子技術(shù)與電工技術(shù)區(qū)別：1、用到粗略計(jì)算；2、學(xué)習(xí)分析電路的方法；3、含有集成電路學(xué)習(xí)芯片的功能、連接等第14章 半導(dǎo)體二極管及整流電路14.3 半導(dǎo)體二極管14.6 穩(wěn)壓二極管及并聯(lián)型穩(wěn)壓電路14.2 PN結(jié)及單向?qū)щ娦?4.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識14.4 整流電路14.5 濾波器14.1 半導(dǎo)體基本知識導(dǎo)電物質(zhì)可分為：導(dǎo)體：金屬絕緣體：橡皮、瓷等半導(dǎo)體：介于以上兩者之間，如硅、鍺等半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：1、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力受環(huán)境影響很大（1）受溫度：當(dāng)溫度升高時(shí)，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)熱敏元件（2）受光照：當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，其

2、導(dǎo)電能力增強(qiáng)光敏元件2、半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)一、本征半導(dǎo)體（純半導(dǎo)體）1、Si：14個(gè)電子2）8）4Ge：32個(gè)電子2）8）18）44價(jià)元素價(jià)電子數(shù)可決定物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)2、晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健 Si Si Si Si Si Si Si Si自由電子空穴本征激發(fā)產(chǎn)生成對的自由電子和空穴3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 溫度愈高或光照越強(qiáng)，晶體中產(chǎn)生的成對的自由電子和空穴便愈多。自由電子和空穴形成兩種載流子 在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。注意：(1) 本征半導(dǎo)體中載流

3、子數(shù)目極少, 其導(dǎo)電性能很差；(2) 溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。二、N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體（雜質(zhì)半導(dǎo)體）多余電子磷原子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的5價(jià)元素 ，形成N型半導(dǎo)體。 Si Si Si Sip+在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?、N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子：自由電子 少數(shù)載流子：空穴 2、 P 型半導(dǎo)體 Si Si Si SiB硼原子空穴注意：無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的（其正負(fù)電荷數(shù)相等），對外不顯電性、不帶電。在本征半導(dǎo)體中摻入微量的3價(jià)元素 ，形成P型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：空穴 少數(shù)載流子：自由電子 1. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)

4、量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 2. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 3. 當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。abc 4. 在外加電壓的作用下，P 型半導(dǎo)體中的電流主要是 ，N 型半導(dǎo)體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流） ba14.2 PN結(jié)及單向?qū)щ娦砸弧N結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱 PN 結(jié) +形成空間電荷區(qū)1、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 由于濃度不同，多子運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)電場，阻礙了多子繼續(xù)擴(kuò)散。2、漂移運(yùn)動(dòng) 少子在內(nèi)電場的作用下

5、形成漂移運(yùn)動(dòng)。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN 結(jié)變窄 P接正、N接負(fù) 外電場IF 外電場克服內(nèi)電場，使多子不斷擴(kuò)散，形成較大的擴(kuò)散電流，此時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)低阻，處于導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)電場PN+動(dòng)畫+ PN 結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場 P接負(fù)、N接正 內(nèi)電場PN+動(dòng)畫+PN 結(jié)變寬2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場 外電場加強(qiáng)內(nèi)電場，使多子不能擴(kuò)散，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR P接負(fù)、N接正 動(dòng)畫+ PN 結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較

6、小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+14.3 半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)、符號金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼( a ) 點(diǎn)接觸型二極管就是一個(gè)PN結(jié)。 1、結(jié)構(gòu)： P區(qū)為正（陽）極，N區(qū)為負(fù)（陰）極鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線( b ) 面接觸型陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅( c ) 平面型陰極陽極D2、符號：晶體二極管的單向?qū)щ娦?利用二極管的這個(gè)特性，可使用二極管進(jìn)行檢波和整流。單向?qū)щ娦裕?二、伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿

7、，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.60.8V鍺0.20.3VUI死區(qū)電壓PN+PN+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。具有單向?qū)щ娦裕?dāng)分別加正偏、反偏電壓時(shí)，形成伏安特性曲線。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)三、主要參數(shù)1. 最大整流電流 IOM二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊 穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。3. 反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿琁RM受溫度的影響，

8、溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管的單向?qū)щ娦?1、二極管加正向電壓時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極 管正向電阻較小，正向電流較大。 2、二極管加反向電壓時(shí)， 二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極 管反向電阻較大，反向電流很小。3、外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)?電性。4、二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大 二極管電路分析總結(jié)及舉例 定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.60.7V鍺0.20.3V 分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若 V陽 V陰或 UD為

9、正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通 若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。 若 V陽 V陰 二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V例2:D1承受反向電壓為6 V流過 D2 的電流為求：UABBD16V12V3kAD2UAB+分析：V1陽 =6 V共陰極接法：陽極電位高的先導(dǎo)通。V2陽 V1陽 D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1截止。V2陽=0 V V1陰 = V2陰= 12 V 可看作短路 uo = 8V已知： 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。8

10、V例3：二極管的用途：整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、 元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取i18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為 8 VD8VRuoui+動(dòng)畫6可看作開路 uo = ui 當(dāng)ui Vb，二極管D導(dǎo)通3. 工作波形u 負(fù)半周，VaVb,D1 D3 導(dǎo)通， D2D4 截止 。(1)uo-ui4. 參數(shù)計(jì)算(1) 整流電壓平均值 Uo(2) 整流電流平均值 Io(3) 流過每管電流平均值 ID(4) 每管承受的最高反向電壓 UDRM例1：單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220 V，負(fù)載電阻RL = 50，負(fù)載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。 I2 = 1.11 Io= 2

11、1.11 = 2. 2 A 變壓器副邊電流有效值變壓器容量 S = U2 I2 = 122 2.2 = 207. 8 V A變壓器副邊電壓 U2 122 V可選用二極管2CZ11C，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。解：RLiouo+ +u1+u2由得：由得：考慮到變壓器繞組和管子壓降，變壓器二次側(cè)電壓大約要高出10例2： 試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2 或D4 斷開時(shí)負(fù)載電壓的波形。如果D2 或D4 接反，后果如何？如果D2 或D4因擊穿或燒壞而短路，后果又如何？ uo+_u+_RLD2D4 D1D3電路為單相半波整流電路。正半周時(shí)，D1和D3導(dǎo)通，負(fù)載中有電流過，負(fù)載

12、電壓uo=u；負(fù)半周時(shí)，D1和D3截止，負(fù)載中無電流通過，負(fù)載兩端無電壓， uo =0。 uo u 234twtw234oo解：當(dāng)D2或D4斷開后則正半周時(shí)，二極管D1、D4或D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。如果D2或D4接反則正半周時(shí)，情況與D2或D4接反類似，電源及D1或D3也將因電流過大 而燒壞。如果D2或D4因擊穿燒壞而短路14.5 濾波器整流電路特點(diǎn)：1、交流電直流電2、得到的直流電壓均為單向脈動(dòng)電壓濾波器作用：單向脈動(dòng)電壓平滑電壓電容濾波方法：將電容與負(fù)載RL并聯(lián)。 一、電容濾波器2. 工作原理 當(dāng)

13、u uC時(shí)，二極管導(dǎo)通，電源在給負(fù)載RL供電的同時(shí)也給電容充電，uC 增加，uo= uC 。 當(dāng)u uC時(shí)，二極管截止，電容通過負(fù)載RL放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降， uo= uC 。ici +aDuoubRLio3. 工作波形二極管承受的最高反向電壓為 (在負(fù)載開路時(shí))。動(dòng)畫uoutOtO1. 電路結(jié)構(gòu)+ uC3. 電容濾波電路的特點(diǎn)(1)輸出電壓的脈動(dòng)程度與平均值Uo與放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān) 輸出電壓平均值Uo 越大，波形越平滑。近似估算取：Uo = 1. 2 U (橋式、全波） Uo = 1. 0 U （半波）當(dāng)負(fù)載RL 開路時(shí)，UO 為了得到比較平直的輸出電壓RLC越大 放電越慢例：有一單

14、相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻f=50Hz，負(fù)載電阻RL = 200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值 uRLuo+C解：1.選擇整流二極管可選用二極管2CP11IOM =100mA UDRM =50V 取RLC = 5 T/2已知RL = 2002. 選擇濾波電容器可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器14.6 穩(wěn)壓二極管及并聯(lián)型穩(wěn)壓電路2. 符號 UZIZIZM UZ IZ3. 伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓為使IZIZM，使用時(shí)必須要加限流電阻原理：穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩

15、端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。UIO1. 結(jié)構(gòu) 由一個(gè)PN結(jié)組成的特殊二極管 DZ一、穩(wěn)壓二極管4. 主要參數(shù)(1) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。(2) 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3) 動(dòng)態(tài)電阻(4) 穩(wěn)定電流IZ 、最大穩(wěn)定電流IZM(5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。二、直流穩(wěn)壓電源 穩(wěn)壓電路作用：在電源波動(dòng)、負(fù)載變化時(shí)，使U0幾乎不變由于整流濾波后，負(fù)載上輸出電壓還因電源及負(fù)載變化而變化DZ：穩(wěn)壓作用；1. 電路+UIRL+CIOUO+uIRRDZIz穩(wěn)壓電路限流電阻R：限流電阻；作用是使電路有一個(gè)合適的工作狀態(tài)，并限定電路的工作狀態(tài)由于負(fù)載與穩(wěn)壓管并