電工電子第六章

第6章半導(dǎo)體二極管及其運(yùn)用前往武漢工程大學(xué)電工教研室目錄6.1半導(dǎo)體根底知識6.2半導(dǎo)體二極管6.3二極管的運(yùn)用6.4特殊二極管6.5直流穩(wěn)壓電源6.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體：導(dǎo)電才干介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性本征半導(dǎo)體就是完全純真的半導(dǎo)體。運(yùn)用最多的本征半導(dǎo)體為鍺和硅，它們各有四個價電子，都是四價元素.硅的原子構(gòu)造純真的半導(dǎo)體其一切的原子根本上整齊陳列，構(gòu)成晶體構(gòu)造，所以半導(dǎo)體也稱為晶體——晶體管稱號的由來本征半導(dǎo)體晶體構(gòu)造中的共價健構(gòu)造6.1.1本征半導(dǎo)體SiSiSiSi共價鍵價電子自在電子與空穴6.1.1本征半導(dǎo)體共價鍵中的電子在獲得一定能量后，即可掙脫原子核的束縛，成為自在電子同時在共價鍵中留下一個空穴。空穴SiSiSiSi自在電子熱激發(fā)與復(fù)合景象由于受熱或光照產(chǎn)生自在電子和空穴的景象-----熱激發(fā)6.1.1本征半導(dǎo)體自在電子在運(yùn)動中遇到空穴后，兩者同時消逝，稱為復(fù)合景象溫度一定時，本征半導(dǎo)體中的自在電子—空穴對的數(shù)目根本不變。溫度愈高，自在電子—空穴對數(shù)目越多。SiSiSiSi自在電子空穴半導(dǎo)體導(dǎo)電方式在半導(dǎo)體中，同時存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。載流子自在電子和空穴由于，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好，所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能的影響很大。6.1.1本征半導(dǎo)體SiSiSiSi價電子空穴當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，自在電子作定向運(yùn)動構(gòu)成電子電流；而空穴的運(yùn)動相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷〔或其它五價元素〕。自在電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體SiSiP+Si多余電子6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入硼〔或其它三價元素〕?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子，自在電子是少數(shù)載流子。空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。SiSiB-Si空穴6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體不論N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個晶體依然是不帶電的。前往6.1.3PN結(jié)PN結(jié)的構(gòu)成自在電子PN空穴PN結(jié)是由分散運(yùn)動構(gòu)成的PN結(jié)的構(gòu)成自在電子PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向空穴PN結(jié)的構(gòu)成分散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的動態(tài)平衡分散強(qiáng)漂移運(yùn)動加強(qiáng)內(nèi)電場加強(qiáng)兩者平衡PN結(jié)寬度根本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞分散強(qiáng)漂移強(qiáng)PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)截止PN結(jié)的單導(dǎo)游電性1外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通形狀，經(jīng)過PN結(jié)的電流根本是多子的分散電流——正向電流–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RIPN結(jié)的單導(dǎo)游電性2外加反向電壓使PN結(jié)截止PN結(jié)呈現(xiàn)高阻形狀，經(jīng)過PN結(jié)的電流是少子的漂移電流----反向電流特點(diǎn):受溫度影響大緣由:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子構(gòu)成的+-變寬PN內(nèi)電場方向外電場方向RI=0PN結(jié)的單導(dǎo)游電性結(jié)論P(yáng)N結(jié)具有單導(dǎo)游電性〔1〕PN結(jié)加正向電壓時，處在導(dǎo)通形狀，結(jié)電阻很低，正向電流較大?！?〕PN結(jié)加反向電壓時，處在截止形狀，結(jié)電阻很高，反向電流很小。前往6.2半導(dǎo)體二極管PN結(jié)陰極引線鋁合金小球金銻合金底座N型硅陽極引線面接觸型引線外殼觸絲N型鍺片點(diǎn)接觸型表示符號伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓半導(dǎo)體二極管的伏安特性是非線性的。正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管：0.1伏左右。正向壓降：硅管：0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。伏安特性1正向特性反向電流：反向飽和電流：反向擊穿電壓U〔BR〕伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓2反向特性伏安特性的折線化U0U0US主要參數(shù)1最大整流電流IOM：二極管長時間運(yùn)用時，允許流過的最大正向平均電流。2反向任務(wù)峰值電壓URWM:保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。3反向峰值電流IRM:二極管上加反向任務(wù)峰值電壓時的反向電流值。運(yùn)用舉例主要利用二極管的單導(dǎo)游電性?？捎糜谡?、檢波、限幅、元件維護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。例:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因此截止。DA起鉗位作用，DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY前往6.4穩(wěn)壓管一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。1穩(wěn)壓管表示符號：

正向+-反向+-IZUZ2穩(wěn)壓管的伏安特性：3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓管任務(wù)于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ

6.4穩(wěn)壓管4主要參數(shù)〔2〕電壓溫度系數(shù)〔1〕穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常任務(wù)下管子兩端的電壓。闡明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)6.4穩(wěn)壓管〔3〕動態(tài)電阻〔4〕穩(wěn)定電流〔5〕最大允許耗散功率rZ穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值IZPZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。PZM=UZIZM6.4穩(wěn)壓管例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ時,電路不通；當(dāng)U>UZ大于時,穩(wěn)壓管擊穿此時選R，使IZ<IZM前往6.5直流穩(wěn)壓電源一.組成直流穩(wěn)壓電源由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分構(gòu)成。前往電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)檫m宜的交流電壓u2。整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓uR。濾波電路:將脈動直流電壓uR轉(zhuǎn)變?yōu)檩^平滑的直流電壓uF。穩(wěn)壓電路:去除電網(wǎng)動搖及負(fù)載變化的影響,堅持輸出直流電壓U0的穩(wěn)定。二.功能前往以下主要引見小功率電源中常用的前三種電路。單相整流電路整流電路的義務(wù)利用半導(dǎo)體單導(dǎo)游電元件把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。整流電路的種類整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流；三相半波、三相橋式全波整流等多種電路。為分析簡單起見，我們把二極管當(dāng)作理想元件處置，即二極管的正導(dǎo)游通電阻為零，反向電阻為無窮大。前往單相半波整流電路的任務(wù)原理電路組成當(dāng)u2>0時，二極管導(dǎo)通。假設(shè)忽略二極管正向壓降，那么：uo=u2導(dǎo)通iD=io=uo/RL前往單相半波整流電路的任務(wù)原理電路組成當(dāng)u2<0時，二極管導(dǎo)通。假設(shè)忽略二極管正向壓降，那么：uo=0iD=io=0截止前往單相半波整流電路輸出電壓波形單相半波整流電路輸出電壓平均值前往單相半波整流電路中二極管的平均電流和輸出電流：單相半波整流電路中二極管上接受的最高反向電壓：前往單相橋式全波整流電路的任務(wù)原理單相橋式全波整流電路組成前往單相橋式全波整流電路任務(wù)原理當(dāng)u2>0時，二極管D1、D3導(dǎo)通。前往單相橋式全波整流電路任務(wù)原理當(dāng)u2<0時，二極管D2、D4導(dǎo)通。前往單相橋式全波整流電路的波形前往單相橋式全波整流電路輸出電壓波形單相橋式整流電路輸出電壓平均值單相橋式全波整流電路輸出電流平均值前往單相橋式全波整流電路二極管上接受的最高反向電壓：單相橋式全波整流電路中二極管的平均電流和輸出電流：前往單相全波整流電路的任務(wù)原理電路組成任務(wù)原理當(dāng)u2>0,D1導(dǎo)通，D2截止；輸出uo為全波整流波形。當(dāng)u2>0,D2導(dǎo)通，D1截止。前往單相全波整流電路輸出電壓波形單相全波整流電路輸出電壓平均值單相全波整流電路輸出電流平均值前往單相全波整流電路二極管上接受的最高反向電壓：單相全波整流電路中二極管的平均電流和輸出電流：前往思索：單相橋式全波整流與單相全波整流異同單相橋式全波整流單相全波整流變壓器二極管反向電壓輸出電壓波形整流元件數(shù)量二極管平均電流輸出電壓平均值無中心抽頭4全波有中心抽頭2全波？？？實(shí)踐中單相橋式整流運(yùn)用較多。前往單相橋式整流電路中的整流電橋可由四個整流二極管組成，也可直接用集成的整流橋塊替代。整流橋塊二極管橋選擇整流元件的主要目的：1.平均整流電流2.反向耐壓前往整流橋?qū)嵨镎掌巴巴鶠V波電路濾波的根本概念:交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路就是利用儲能元件電容兩端的電壓(或經(jīng)過電感中的電流)不能突變的特性,將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保管其直流成份，到達(dá)平滑輸出電壓波形的目的。這一過程稱為濾波。前往電容濾波電路一、濾波電路1.單相半波整流電容濾波電路前往2.單相橋式整流電容濾波電路一、濾波電路前往半波整流濾波電路〔C=100UF〕波形圖整流二極管中的電流濾波輸出電壓前往半波整流濾波電路〔C=470UF〕波形圖整流二極管中的沖擊電流濾波輸出電壓前往半波整流濾波電路〔C=1000UF〕波形圖二極管沖擊電流濾波輸出電壓前往半波整流濾波電路〔C=3300UF〕波形圖二極管沖擊電流濾波輸出電壓前往半波整流濾波電路〔C=6800UF〕波形圖二極管沖擊電流濾波輸出電壓前往全波整流濾波電路〔C=100UF〕波形圖輸出電壓二極管沖擊電流前往全波整流濾波電路〔C=470UF〕波形圖二極管沖擊電流濾波輸出電壓前往全波整流濾波電路〔C=1000UF〕波形圖二極管沖擊電流濾波輸出電壓前往全波整流濾波電路〔C=3300UF〕波形圖濾波輸出電壓整流二極管中的沖擊電流前往全波整流濾波電路〔C=6800UF〕波形圖整流二極管中的沖擊電流濾波輸出電壓前往普通取(T為電源電壓的周期)近似估算:U0=1.2U2(2)流過二極管瞬時電流很大RLC越大U0越高,負(fù)載電流的平均值越大整流管導(dǎo)電時間越短iD的峰值電流越大。普通選管時，取二、電容濾波電路的特點(diǎn)(1)輸出電壓U0與時間常數(shù)RLC有關(guān)RLC愈大電容器放電愈慢U0(平均值)愈大。前往輸出波形隨負(fù)載電阻RL或C的變化而改動,U0和S也隨之改動。如:RL愈小(Io越大),Uo下降多,S增大。(3)輸出特性(外特性):1.4U20.9U2Uo0Io電阻負(fù)載有電容濾波電阻負(fù)載無電容濾波前往結(jié)論〔1〕并聯(lián)電容濾波后，輸出電壓直流成份〔即輸出電壓平均值〕提高了；脈動成份降低了〔即輸出波形平滑〕。經(jīng)過以上半波、全波整流電容濾波電路的波形圖和分析可以看出：〔3〕輸出電壓隨輸出電流〔負(fù)載電流〕增大而下降較快，輸出特性較軟?！?〕濾波電容愈大，濾波效果愈好，但整流二極管的導(dǎo)通時間愈短，其中的電流沖擊也愈大?！?〕電容放電時間常數(shù)RLC愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，脈動愈小，濾波效果愈好。電容濾波電路適用于輸出電壓較高,負(fù)載電流較小且負(fù)載變動不大的場所。前往電感濾波在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。一、電感濾波電路構(gòu)造前往二、電感濾波原理對直流分量(f=0):XL=0,L相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。U0=0.9U2當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為：對諧波分量:f越高,XL越大,電壓大部分降在XL上。因此,在輸出端得到比較平滑的直流電壓。三、電感濾波的特點(diǎn)整流管導(dǎo)電角較大,峰值電流很小,輸出特性比較平坦,適用于低電壓大電流(RL較小)的場所。缺陷是電感鐵芯笨重,體積大,易引起電磁干擾。前往LC型、型濾波為了進(jìn)一步改善濾波特性，可采取多級濾波的方法,如在電容濾波后再接一級RC濾波電路，或在電感濾波后面再接一電容。從而構(gòu)成LC型或RC-、LC-型濾波電路，其性能及運(yùn)用場所分別與電容濾波和電感濾波類似。L-C型濾波電路構(gòu)造前往RC-型濾波電路構(gòu)造RC-型濾波電路特點(diǎn)R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R太大，將使直流壓降添加。主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場所。前往LC-型濾波電路構(gòu)造LC-型濾波電路特點(diǎn)濾波效果比LC濾波器更好，但整流二極管中的沖擊電流較大。電感線圈體積大而笨重、本錢高。前往穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設(shè)備)在小功率設(shè)備中常用的穩(wěn)壓電路有穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、線性穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路等。其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路最簡單，但是帶負(fù)載才干差，普通只提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源運(yùn)用。開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率較高，目前用的也比較多，但因?qū)W時有限，這里不做引見。以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。前往穩(wěn)壓電路的主要性能目的1、穩(wěn)壓系數(shù)S穩(wěn)壓系數(shù)S用來反映電網(wǎng)電壓動搖對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。2、輸出電阻Ro輸出電阻Ro用來反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。定義為當(dāng)輸入電壓固定時輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實(shí)踐上就是電源戴維南等效電路的內(nèi)阻。穩(wěn)壓電路的主要作用為負(fù)載提供不隨電源電壓動搖和負(fù)載動搖影響的穩(wěn)定的輸出電壓。前往穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路一、電路構(gòu)造前往二、任務(wù)原理在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)，電流變化較大時，穩(wěn)壓管兩端電壓變化較小。1.電網(wǎng)電壓動搖2.負(fù)載動搖經(jīng)過調(diào)理R上的壓降來到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓Uo的目的。前往三、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，元件少。缺陷：穩(wěn)壓效果不太好，輸出電壓不可調(diào)。四、穩(wěn)壓管選擇方法五、限流電阻R的選擇原那么1.2.前往串聯(lián)反響式穩(wěn)壓電路串聯(lián)反響式穩(wěn)壓電路由四個主要部分組成：1、基準(zhǔn)電壓環(huán)節(jié)2、比較放大環(huán)節(jié)3、取樣環(huán)節(jié)4、調(diào)整環(huán)節(jié)一、電路構(gòu)造的普通方式前往調(diào)整元件T與負(fù)載串聯(lián)，經(jīng)過全部負(fù)載電流。比較放大器可以是單管放大電路或集成運(yùn)算放大器。調(diào)整元件可以是單個功率管，復(fù)合管或用幾個功率管并聯(lián)。基準(zhǔn)電壓可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較。因調(diào)整管與負(fù)載接成射極輸出器方式，為深度串聯(lián)電壓負(fù)反響，故稱之為串聯(lián)反響式穩(wěn)壓電路。二、電路的組成前往一、一種實(shí)踐的晶體管串聯(lián)反響式穩(wěn)壓電源二、穩(wěn)壓原理UoUfUBE2=〔Uf-UZ〕UC2Uo當(dāng)Ui添加或輸出電流減小使Uo升高時：前往三、輸出電壓確實(shí)定和調(diào)理范圍4、調(diào)整管rce愈大越好(rce小那么Ui引起的Uo大)。四、影響穩(wěn)壓特性的主要要素1、比較放大部分的AV和電壓反響系數(shù)F愈大越好；2、基準(zhǔn)電壓愈穩(wěn)定越好；3、放大部分的電源愈穩(wěn)定越好；調(diào)理RP可改動Uo到達(dá)調(diào)壓的目的。穩(wěn)壓本質(zhì)：經(jīng)過負(fù)反響使輸出電壓穩(wěn)定。前往在運(yùn)放理想條件下(AV=ri=)：五、選用增益高的集成運(yùn)放作為放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)反響式穩(wěn)壓電源前往六、存在的缺陷串聯(lián)反響式穩(wěn)壓電源外圍元件較多；另外，調(diào)整管任務(wù)在線性放大區(qū),當(dāng)負(fù)載電流較大時，其損耗(P=UCEIo)大；電源的效率為(=Po/Pi=UoIo/UiIi)較低。為了提高效率，可采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。前往集成穩(wěn)壓電源集成穩(wěn)壓電源簡介三端集成穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱維護(hù)環(huán)節(jié)。隨著半導(dǎo)體工藝的開展,如今已消費(fèi)并廣泛運(yùn)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小,可靠性高,運(yùn)用靈敏,價錢低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只