半導體二極管與整流電路

1、1,模擬電子技術,牢固掌握三基（基本概念、基本電路、基本分析方法）； 逐步樹立工程觀點； 重視實驗。,1.基本內容的處理原則：,學習的基本方法：,電子器件——管——掌握外特性 基本電路——路——課程重點 應用電路——用——廣泛了解,原則：三者結合，管為路用，以路為主。,2.注意點：,2,學會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。

2、 對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數(shù)值。 器件是非線性的、特性有分散性、RC 的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。,對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內部機理。討論器件的目的在于應用。,3,第1章 半導體二極管與整流電路,1.3 半導體二極管的應用,1.4 二極管整流電路,1.5 穩(wěn)壓二極管及其應用,1.2 半導體二極管,1.1

3、 半導體基礎知識,1.6 光敏二極管,1.7 發(fā)光二極管,4,1. 理解PN結的單向導電性；2.了解二極管、穩(wěn)壓管、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；3. 分析含有二極管的電路；理解并掌握單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)的計算;4. 了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理。,教學要求：,5,1.1 半導體基礎知識,1.1.1 本征半導體與摻雜半導體,導體： 自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。,絕緣

4、體： 有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導體： 另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,6,半導體的導電特性：,（可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻）。,摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力 明顯改變 （可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、 三

5、極管和晶閘管等）。,光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化 （可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二 極管、光敏三極管等）。,熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強,7,1. 本征半導體,通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。,現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。,8,完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。,晶體中原子

6、的排列方式,硅單晶中的共價健結構,共價健,共價鍵中的兩個電子稱為價電子,1. 本征半導體,9,價電子,價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。,本征半導體的導電機理,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,空穴,溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。,自由電子,在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結果相當于空穴的運動

7、（相當于正電荷的移動）。,10,本征半導體的導電機理,當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流 （1）自由電子作定向運動 ?電子電流 （2）價電子遞補空穴 ?空穴電流,注意： （1）本征半導體中載流子數(shù)目極少, 其導電性能很差； （2）溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。,自由電子和空穴都稱為載流子 自由電子和空穴成對地產生

8、的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。,11,2. 摻雜半導體,摻入五價元素,,,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個電子變?yōu)檎x子,在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成摻雜半導體。,12,摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。,在N 型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。,（1）

9、N型半導體,13,摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或 P型半導體。,摻入三價元素,,,在 P 型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。,硼原子,得到一個電子變?yōu)樨撾x子,,,,空穴,無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。,（2 ）P型半導體,14,1. PN 結的形成,在同一片半導體基片上，分別制造P 型半導體和N 型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN 結。

10、,1.1.2 PN結,15,,,P型半導體,N型半導體,多子擴散運動,,,擴散運動使空間電荷區(qū)變寬。,空間電荷區(qū)越寬，內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移運動使空間電荷區(qū)變薄。,多子邊擴散邊復合,16,所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,17,,,,,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),PN 結,18,1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。,2、空間電荷區(qū)中內電場阻礙P區(qū)、N區(qū)中的多子的

11、散運動。,3、P 區(qū)和N區(qū)中少子數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,19,2. PN結的單向導電性,PN 結正向偏置（加正向電壓）P 區(qū)接電源高電位端、N 區(qū)接電源低電位端。,PN 結反向偏置（加反向電壓）P區(qū)接電源高電位端、N 區(qū)接電源低電位端。,名詞解釋：,20,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,US,（1）PN 結正向偏置,P,N,+,_,內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。,,+,_,2

12、1,（2）PN 結反向偏置,,,,,,,,,N,P,+,_,內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,,,,R,US,,_,+,,22,1、PN 結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流 較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài) （相當于開關接通）。,結論：,2、PN 結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流 較小，反向電阻較

13、大，PN結處于截止狀態(tài) （相當于開關斷開） 。,23,1.2 半導體二極管,1. 二極管的結構示意圖,24,2. 伏安特性,,,導通壓降: 硅管.6~0.7V鍺管0.2~0.3V,,反向擊穿電壓UBR,UBR遠遠大于UF一般為十幾伏到幾十伏,UF,死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.2V。,反向截止區(qū)反向電流很小,反向擊穿區(qū),可控開關,25,3. 主要參數(shù),（1）最大整流電流 IOM,二極管長期使用時，允許流過二極

14、管的最大正向平均電流。,（2）反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓URWM一般是UBR的一半或三分之二。,26,（3）反向峰值電流 IRM,指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性能差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍

15、。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應用是主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、保護等等。選用二極管時還需注意交流參數(shù)。,27,（4）微變電阻 rD,rD 是二極管特性曲線上工作點Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內的電阻。,28,（5）二極管的極間電容,二極管的兩極之間有兩部分電容：勢壘電容CB和擴散電容CD。,勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空

16、間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。,擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P 區(qū)的少子（電子）在P 區(qū)有濃度差，越靠近PN結濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴散電容CD。,29,CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。,PN結高頻小信號時的等效電路,勢壘電容和擴散電容的綜合效應,30,2、二極管的單向導電

17、性,（1）二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負 ）時， 二極管處于正向導通狀態(tài)（相當于開關接通）， 二極管正向電阻較小，正向電流較大。,（2）二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正 ） 時， 二極管處于反向截止狀態(tài)（相當于開關斷開）， 二極管反向電阻較大，反向電流很小。,（3）當外加反向電壓大于反向擊穿電壓時二極

18、管被擊穿， 失去單向導電性。,（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。,31,電路如圖，求：UAB,V陽 =－6 V V陰 =－12 V V陽>V陰 二極管導通 理想二極管可看作短路，UAB =－ 6V否則， UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V,例1：,取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,在這

19、里，二極管起鉗位作用。,1.3 半導體二極管的簡單應用,,二極管的用途： 整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償?shù)取?32,ui > 8V，二極管導通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V，二極管截止，可看作開路 uo = ui,已知： 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。,例2：,參考點,二極管陰極電位為 8 V,二極管檢波電路,例3：,34,二極管“續(xù)流”保護電路,例4：,

20、35,uF與uA,uB的關系,F = AB,例5：二極管門電路,36,1.4 二極管整流電路,電源變壓器: 將交流電網電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。,整 流 電 路,濾 波 電 路,穩(wěn) 壓 電 路,整流電路: 將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。,濾波電路: 將脈動直流電壓u3轉變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。,穩(wěn)壓電路: 消除電網波動及負載變化的影響,保持輸出電壓uo 的穩(wěn)定。

21、,,37,1.4.1 單相半波整流電路,2. 工作原理,u 正半周，Va>Vb，二極管D導通；,3. 工作波形,u 負半周，Va< Vb， 二極管D 截止 。,1. 電路結構,,,,,,,,38,4. 參數(shù)計算,（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,（5）變壓器副邊電流有效值 I,39,5. 整流二極管的選擇,平均電流 ID 與

22、最高反向電壓 UDRM 是選擇整流二極管的主要依據(jù)。,選管時應滿足： IOM ?ID ， URWM ? UDRM,40,1.4.2 單相全波整流電路,工作原理,u0平均值U0：,U0=0.9U2,輸出電壓波形：,二極管上的平均電流：,二極管上承受的最高反向電壓：,41,1.4.3 單相橋式整流電路,橋式整流電路,u2正半周時電流通路,42,橋式整流電路,u0,,u2負半周時電流通路,43,,u2>0 時,D1,D3導通

23、D2,D4截止電流通路:A ? D1?RL?D3?B,u2<0 時,D2,D4導通D1,D3截止電流通路:B ? D2?RL?D4?A,輸出是脈動的直流電壓！,,,,,,,,,,u2,橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形,uD3,uD1,uD4,uD2,,44,幾種常見的硅整流橋外形,,,,,,,,,+ A C -,,,,,,,,,,,,,~+~-,,~+ - ~,交直流管腳用錯

24、將如何？,造成短路燒毀變壓器！,45,1.4.3 整流電路的主要參數(shù),1. 整流輸出電壓平均值（Uo）,全波整流時，負載電壓 Uo的平均值為:,2. 負載平均電流（IL）,46,平均電流(ID)與反向峰值電壓(UDRM)是選擇整流管的主要依據(jù)。,在橋式整流電路中，每個二極管只有半周導。因此，流過每只整流二極管的平均電流 ID 是負載平均電流的一半。,二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：,3. 二極管平均電流,4. 二極管承受反向

25、峰值電壓,47,,濾波電路的結構特點: 電容與負載 RL 并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。,交流電壓,脈動直流電壓,直流電壓,原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。,1.4.5 濾波電路,48,以單相橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖所示。,1. 電容濾波原理,,49,（1）RL未接入時（忽略整流電路內阻）,,充電結

26、束,沒有電容時的輸出波形,無放電回路電壓保持,50,（2）RL接入（且RLC較大）時 （忽略整流電路內阻）,在u2小于電容電壓時，二極管截止，電容不充電，電容通過RL放電， uo會逐漸下降。當電容電壓下降到低于u2時，又開始充電。,51,只有u2電壓大于uC時，二極管導通才有充電電流iD 。因此二極管電流是脈沖波。,二極管電流iD的波形,可見，采用電容濾波時，整流管的導通角變小。,52,（2）流過二極管瞬時電流很大。,RLC 越大 ?

27、 Uo越高 ?負載電流的平均值越大 ; 整流管導電時間越短 ? iD的峰值電流越大,故一般選管時，取,2. 電容濾波電路的特點,（1）輸出電壓 Uo與放電時間常數(shù) RLC 有關。,RLC 愈大? 電容器放電愈慢 ? Uo(平均值)愈大,Uo=1.0U2 (半波整流加濾波）。,53,輸出波形隨負載電阻 RL 或 C 的變化而改變, Uo 也隨之改變。,如: RL 愈小( IL 越大), Uo下降多。,結論：電容濾波電路適用于輸出電

28、壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。,（3）輸出特性（外特性）,,54,例：,有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率 f=50Hz，負載電阻 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,解：（1）選擇整流二極管,可選用二極管2CP11,IOM =100mA UDRM =50V,55,例： 有一單相橋式整流濾波電路，已知交流

29、電源頻率 f=50Hz，負載電阻 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。,取 RLC = 5 ? T/2,已知 RL = 200?,解：（2）選擇濾波電容器,可選用C=250?F，耐壓為50V的極性電容器,56,3.電感濾波,電路結構: 在橋式整流電路與負載間串入一電感L 就構成了電感濾波電路。,57,對直流分量: XL=0 相當于短路,電壓大部分降在

30、RL上。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。,Uo=0.9U2,當忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為：,58,電感濾波的特點：,整流管導電角較大，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)的場合。缺點是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。,電感電流不能跳變故負載電流可持續(xù),59,,1.5.1 穩(wěn)壓二極管,U,IZ,穩(wěn)壓靈敏度,曲線

31、越陡，電壓越穩(wěn)定。,UZ,1.5 穩(wěn)壓二極管及其應用,反向擊穿電壓,最小穩(wěn)定電流,IZmin,,穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。,60,穩(wěn)壓原理,ui?,穩(wěn)壓管特性,61,（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,（5）最大允許功耗,穩(wěn)壓二極管的參數(shù),（1）穩(wěn)定電壓 UZ,（3）動態(tài)電阻,62,選擇穩(wěn)壓管時，一般?。?穩(wěn)壓管穩(wěn)

32、壓電路,63,負載電阻 。,求輸入電壓分別為10V、15V、20V時的輸出電壓和流過二極管的電流。,例1：圖示穩(wěn)壓電路中，已知：,解：當穩(wěn)壓二極管處于反向擊穿狀態(tài)時能正常工作,64,,,可見，該電路中穩(wěn)壓管能正常工作的最小輸入電壓為15V，此時輸出電壓U0＝6V，流過穩(wěn)壓管的電流為3mA。,若Ui＝20V，穩(wěn)壓管能正常工作，輸出電壓U0＝6V,UR＝ UI－ U0＝20－6 ＝14V,流過穩(wěn)壓二極管的電

33、流為 I－IO＝14－6＝8mA,若Ui＝10V，穩(wěn)壓管未進入反向擊穿區(qū)，電路中R和RL串聯(lián)，輸出電壓U0＝5V,65,負載電阻 。,例2 穩(wěn)壓管的技術參數(shù):,解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。,求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。,,——方程1,限流電阻,要求當輸入電壓由正常值發(fā)生?20%波動時，負載電壓基本不變。,66,令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為I

34、zmin 。,,——方程2,聯(lián)立方程1、2，可解得：,討論：若想由一個15V的直流電源得到6V、9V兩組電壓給電路供電問應如何實現(xiàn)？,67,4.5 集成穩(wěn)壓器,隨著半導體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產并廣泛應用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。主要介紹常用的W7800系列、 W7900系列三端集成穩(wěn)壓器。,68,1端: 輸入端2端

35、: 輸出端3端: 公共端,W7800系列穩(wěn)壓器外形,1端: 公共端2端: 輸出端3端: 輸入端,W7900系列穩(wěn)壓器外形,,集成穩(wěn)壓器,69,型號后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值,W78系列(輸出正電壓) W79系列(輸出負電壓),輸出電壓額定電壓值有:,5V、9V、12V 、18V、 24V等 。,集成穩(wěn)壓器,分類:,70,1、輸出為固定電壓的電路,W7800系列穩(wěn)壓器 基本接線圖,輸出為固定正壓時的接法如圖所示。,輸入與

36、輸出端之間的電壓不得低于3V！,集成穩(wěn)壓器應用,71,,正負電壓同時輸出電路,2 、輸出正負電壓的電路,72,,UXX: 為W78XX固定輸出電壓UO=UXX+UZ,3 、提高輸出電壓的電路,73,圖中的運算放大器作為電壓跟隨器使用,,4、 輸出電壓可調的電路,用W7805組成的7－30V可調式穩(wěn)壓電源,W7805,(UXX=5V),74,5. 輸出電流可調的電路,75,又稱光敏二極管。它的管殼上有透明聚光窗，由于PN結的光敏特性

37、，當有光照射時，光敏二極管在一定反向偏壓范圍內，反向電流隨光照強度的增加而線性增加。,當無光照時，光敏二極管的伏安特性與普通二極管一樣。,1.6 光敏二極管,76,主要參數(shù),1.暗電流,無光照時的反向飽和電流，一般小于1μA。,2.光電流,額定光照度下的反向飽和電流，一般為幾十毫安。,3.靈敏度,在給定波長的單位光功率時產生的光電流，一般大于0.5 μA/ μw。,77,主要參數(shù),4. 峰值波長,具有最高響應靈敏度的波長，峰值波長

38、一般在可見光和紅外線范圍內。,5.響應時間,在給定量光照后，光電流達到穩(wěn)定值的60%所需的時間，一般為10-7 s。,78,1.7 發(fā)光二極管（LED）,當二極管正向導通有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的可見光。光的波長不同，顏色也不同。目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向導通壓降1.3V~2.4V。,79,半導體二極管及應用要點1. 二極管部分： 從二極管的主要用途出發(fā)了解其單向