半导体二极管与直流稳压电源教学课件PPT.ppt

电子技术 模拟电子技术：信号连续 变化 数字电子技术：信号 不连续变化、离散 武汉工程大学 电工教研室 第6章 半导体二极管与直流稳压电源 返回 6.16.1 半导体基半导体基础知识础知识 6.2 6.2 半半导体二极管导体二极管 6.3 6.3 二极管二极管应用电路应用电路 6.4 6.4 特特殊二极管殊二极管 6.5 6.5 直直流稳压电源流稳压电源 目 录 6.1 半导体基础知识 半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。 半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性 本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半 导体为锗和硅，它们 各有四个价电子，都 是四价元素. 硅的原子结构 纯净的半导体其所有的原子基 本上整齐排列，形成晶体结构， 所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来 本征半导体晶体结构中的共价健结构 6.1.1 本征半导体 SiSi SiSi 共价键 价电子 自由电子与空穴自由电子与空穴 6.1.1 本征半导体 共价键中的电子 在获得一定能量 后，即可挣脱原 子核的束缚，成 为自由电子 同时在共价键中 留下一个空穴。 空穴 SiSi SiSi 自由 电子 热激发与复合现象 由于受热或光照 产生自由电子和 空穴的现象- 热激发 6.1.1 本征半导体 自由电子 在运动中遇 到空穴后， 两者同时消 失，称为复 合现象 温度一定时，本 征半导体中的自由 电子空穴对的数 目基本不变。温度 愈高，自由电子 空穴对数目越多。 SiSi SiSi 自由 电子 空穴 半导体导电方式 在半导体中， 同时存在着电子 导电和空穴导电 ，这是半导体导 电方式的最大特 点，也是半导体 和金属在导电原 理上的本质差别 。 载流子 自由电子和空穴 因为，温度愈 高，载流子数目愈 多，导电性能也就 愈好，所以，温度 对半导体器件性能 的影响很大。 6.1.1 本征半导体 SiSi SiSi 自由 电子 空穴 当半导体两端 加上外电压时，自 由电子作定向运动 形成电子电流；而 空穴的运动相当于 正电荷的运动 6.1.2 杂质半导体 N型半导体 在硅或锗的晶体中 掺入微量的磷（或 其它五价元素）。 自由电子是多数 载流子，空穴是 少数载流子。 电子型半导体 或N型半导体 SiSi P+Si 多余 电子 6.1.2 杂质半导体 P型半导体 在硅或锗晶体中 掺入硼（或其它 三价元素）。 空穴是多数载流子 ，自由电子是少数 载流子。 空穴型半导体 或P型半导体。 SiSi B-Si 空穴 6.1.2 杂质半导体 不论N型半导体还是P型半导体 ，虽然它们都有一种载流子占多 数，但是整个晶体仍然是不带电 的。 返回 6.1.2 PN结 1. PN结的形成 自由电子 P N 空穴 PN结是由扩散运动形成的, 扩散运动和漂移运动达到动态平衡。 自由电子 PN 空间电荷区 内电场方向 空穴 2. PN结的单向导电性 1 外加正向电压使PN结导通 PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流 基本是多子的扩散电流正向电流 + 变窄 PN 内电场 方向 外电场方向 R I 2. PN结的单向导电性 2 外加反向电压使PN结截止 PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流 -反向电流 特点: 受温度影响大 原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的 + - 变 宽 PN 内电场 方向 外电场方向 R I=0 2. PN结的单向导电性 结 论 PN结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低， 正向电流较大。 （2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反 向电流很小。 返回 6.2 半导体二极管 6.3.1 基本结构 6.2.2 伏安特性 6.2.3 伏安特性的折线化 6.2.4 二极管的主要参数 6.2.1 基本结构 PN结 阴极引线 铝合金小球 金锑合金 底座 N型硅 阳极引线 面接触型 引线 外壳触丝N型锗片 点接触型 表示符号 6.2.2 伏安特性 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死区 电压 击穿 电压 半导体二极 管的伏安特性 是非线性的。 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死区电压 击穿电压 死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。 正向压降： 硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。 6.2.2 伏安特性 1 正向特性 反向电流： 反向饱和电流： 反向击穿电压U（BR） 6.2.2 伏安特性 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死区电 压 击穿电 压 2 反向特性 6.2.4 主要参数 1 最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。 2 反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。 3 反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 6.3 二极管应用电路 主要利用二极管的单向导电性。可用 于整流、检波、限幅、元件保护以及在 数字电路中作为开关元件。 返回 6.3 二极管应用电路 1、 二极管限幅与嵌位电路。已知输入波形画出输出波形 。 返回 D1D2 E2 R E1 uo AB ui 在ui的正半周，当uiE1时，D1处于 正向偏置而导通，使输出电压 uo保持在等于E1值。 在ui的负半周，当-E2 E时，二极管导通，uo= E=5V; 当ui=E时 ，二极管截止，uo =ui=10sint; 2、 二极管门电路。图中电路，输入端A的电位 VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY 。电阻R接负电源-12V。 解：DA优先导通， DA导通 后， DB上加的是反向电 压，因而截止。 -12V A B +3V 0VDB DA Y R VY=+2.7V DA起钳位作用， DB起隔离作用。 在含有多个阳极或阴极并在含有多个阳极或阴极并 联的二极管电路中，如何联的二极管电路中，如何 判断哪些二极管导通，哪判断哪些二极管导通，哪 些二极管截止？些二极管截止？ 首先假设这些二极管都处于截止状态，然 后依次判断各个二极管的阳极和阴极之 间的电压，哪个二极管阳极和阴极的电 压高，哪个二极管就优先导通；之后根 据该二极管导通之后的状态来判断其他 二极管是导通还是截止状态。 思考题 例1：试判断下图所示电路中，当Ui3V 时哪些二极管导通？当 Ui0V时哪些二极 管导通？设二极管正向压降为0.7V。 解：当Ui3V时， UB=0.7V,UA=2.1V 所以D1截止，D2-D4 导通。 当Ui0V时，D1导通 ，D2-D4截止。 D1D2D3 D4 R1 5V R2 A B Ui 例2：试判断下图所示电路中，D1和D2的状态。 设二极管正向压降为0.7V。 解：UD1o=15V UON D1导通 UD20=-12-（-15）=3V UON D2导通 UD10 UD20 D1优先导通 UD20=-12-UA=-12-(-0.7）=-11.3VUZ大于时,稳压管击穿 此时 选R，使IZUON 二极管是导通 UD UAO=-6V 练 习 6V A 12V O V1 V2 二、判断二极管是导通或截止 二极管的正向电压UD 是否大于导通电压UON UD2 UD1 -12V0V = -12V UONUD1= -12V-6V= -6V UONUD2= 二极管D1截止 二极管D2截止 18 10V 2 15V 140 10 25 5 三、 试判断图题 中二极管导通还 是截止，为什么? AB C 二极管的正向电压UD 是否大于导通电压UON 设UON =0.3(V) 二极管截止 四、选择判断题 1、判断下列说法是否正确，用“”和“”表示判 断结果填入空内。 （1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可 将其改型为P型半导体。（ ） （2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负 电。（ ） （3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。 （ ） （4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多 子漂移运动形成的。（ ） 2、选择正确答案填入空内。 （1）PN结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 （2）稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 （3）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结 电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏 A B C （4）工作在放大区的某三极管，如果当IB从12A增大 到22A时，IC从1mA变为2mA，那么它的约 为 。 A. 83 B. 91 C. 100 C （5）普 通 双 极 型 晶 体 管 是 由 。 (A)一 个PN 结 组 成 (B)二 个PN 结 组 成 (C) 三 个PN 结 组 成 （6）测 得 电 路 中 工 作 在 放 大 区 的 某 晶 体 管 三 个 极 的 电 位 分 别 为 0V、0.7V 和 4.7V， 则 该 管 为 。 (A) NPN 型 锗 管 (B) PNP 型 锗 管 (C) NPN 型 硅 管 (D) PNP 型 硅 管 （7）已 知 放 大 电 路 中 某 晶 体 管 三 个 极 的 电 位 分 别 为VE = 1.7V，VB= 1.4V ，VC = 5V， 则 该 管 类 型 为 。 (A) NPN 型 锗 管 (B) PNP 型 锗 管 (C) NPN 型 硅 管 (D) PNP 型 硅 管 B A D （8）晶 体 管 的 主 要 特 点 是 具 有 。 (A) 单 向 导 电 性 (B) 电 流 放 大 作 用 (C) 稳 压 作 用 （9）晶 体 管 处 于 截 止 状 态 时， 集 电 结 和 发 射 结 的 偏 置 情 况 为 。 (A) 发 射 结 反 偏，集 电 结 正 偏(B) 发 射 结、集 电 结 均 反 偏 (C)发 射 结、集 电 结 均 正 偏 (D)发 射 结 正 偏，集 电 结 反 偏 （10）已 知 某 晶 体 管 处 于 放 大 状 态， 测 得 其 三 个 极 的 电 位 分 别 为 6V、9V 和 6.3V， 则 6V所 对 应 的 电 极 为 。 (A) 发 射 极 (B) 集 电 极 (C) 基 极 B A B （11）所 谓 晶 体 管 输 出 特 性 曲 线 中 的 线 性 区 域 是 指 。 (A) 放 大 区 (B)饱 和 区 (C)截 止 区 （12） 如 果 接 在 电 路 中 某 晶 体 管 的 基 极 与 发 射 极 短 路， 则 。 (A)管 子 深 度 饱 和 (B)管 子 截 止 (C)管 子 工 作 在 放 大 状 态 （13）图 中 已 标 出 各 硅 晶 体 管 电 极 的 电 位， 判 断 处 于 截 止 状 态 的 晶 体 管 是 。 A D B （6）测 得 某 一 PNP 硅 管 三 个 极 的 电 位 是：VB = 3.2V，VE = 2.5V，VC = 7V， 则 该 管 工 作 在 。 (A)线 性 放 大 状 态 (B) 饱 和 工 作 状 态(C) 截 止 工 作 状 态 （15）电 路 如 图 所 示， 晶 体 管 处 于 。 (A)线 性 放 大 状 态 (B) 饱 和 工 作 状 态(C) 截 止 工 作 状 态 A B 五、写出下图所示各电路的输出电压值，设二 极管导通电压UD0.7V。 解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V， UO51.3V， UO62V。 六、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的 最小值IZmin5mA。求图所示电路中UO1和UO2 各为多少伏。 解：UO16V，UO25V。 七、（1） 能否将1.5V的干电池以正向接法接 到二极管两端？为什么？ 解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关 系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。 （2）现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V ，正向导通电压为0.7V。试问： （a）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？ 各为多少？ （b）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值 ？各为多少？ 解：（a）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和 6V等四种稳压值。 （b）两只稳压管并联时可得0.7V和6V等两种稳压值 。 八、 电路如图所示，其输入电压uI1和uI2的波形如 图（b）所示，二极管导通电压UD0.7V。试画出 输出电压uO的波形，并标出幅值。 九、已知图所示电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小 稳定电流IZmin5mA，最大稳定电流IZmax25mA。（1） 分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的 值；（2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为 什么？ 解：（1）当UI10V时，若UOUZ 6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最 小稳定电流，所以稳压管未击穿。故 当UI15V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流IZmin，所以 UOUZ6V 同理，当UI35V时，UOUZ6V。 （2）29mAIZM25mA，稳压管将因功耗过大而损坏. 十、 电路如图（a）（b）所示，稳压管的稳定电 压UZ3V，R的取值合适，uI的波形如图（c）所 示。试分别画出uO1和uO2的波形。 十一、测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。 在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。 晶体管三个极