电工电子第六章课件

1、6.1 6.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体：半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性 本征半导体就是完全纯净的半导体。本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半应用最多的本征半导体为锗和硅，它们导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都各有四个价电子，都是四价元素是四价元素.硅的原子结构硅的原子结构 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本征半导体晶体结构中的共价健结

2、构6.1.16.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体 共价键中的电子共价键中的电子在获得一定能量在获得一定能量后，即可挣脱原后，即可挣脱原子核的束缚，成子核的束缚，成为自由电子为自由电子同时在共价键中同时在共价键中留下一个空穴。留下一个空穴。空穴空穴SiSiSiSi自由自由电子电子热激发与复合现象热激发与复合现象 由于受热或光照由于受热或光照产生自由电子和产生自由电子和空穴的现象空穴的现象- 热激发热激发6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子在运动中遇在运动中遇到空穴后，到空穴后，两者同时消两者

3、同时消失，称为复失，称为复合现象合现象 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由征半导体中的自由电子电子空穴对的数空穴对的数目基本不变。温度目基本不变。温度愈高，自由电子愈高，自由电子空穴对数目越多空穴对数目越多。SiSiSiSi自由电子空穴半导体导电方式半导体导电方式 在半导体中，在半导体中，同时存在着电子同时存在着电子导电和空穴导电，导电和空穴导电，这是半导体导电这是半导体导电方式的最大特点，方式的最大特点，也是半导体和金也是半导体和金属在导电原理上属在导电原理上的本质差别。的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈因为，温度愈高，载流子数目愈高，载流子数目愈多

4、，导电性能也就多，导电性能也就愈好，所以，温度愈好，所以，温度对半导体器件性能对半导体器件性能的影响很大。的影响很大。6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi价电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，自加上外电压时，自由电子作定向运动由电子作定向运动形成电子电流；而形成电子电流；而空穴的运动相当于空穴的运动相当于正电荷的运动正电荷的运动6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或掺入微量的磷（或其它五价元素）。其它五价元素）。 自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是载流子

5、，空穴是少数载流子。少数载流子。 电子型半导体电子型半导体或或N N型半导体型半导体SiSiP+Si多余电子6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入硼（或其它掺入硼（或其它三价元素）。三价元素）。 空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，自由电子是少数载自由电子是少数载流子。流子。 空穴型半导体空穴型半导体或或P P型半导体。型半导体。SiSiB-Si空穴6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，虽

6、然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的。的。 6.1.3 PN6.1.3 PN结结PNPN结的形成结的形成自由电子PN空穴PN结是由扩散运动形成的结是由扩散运动形成的PN结的形成结的形成自由电子PN 空间电荷区内电场方向空穴PNPN结的形成结的形成扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强扩散强漂移运动增强漂移运动增强内电场增强内电场增强两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PNPN结导通结导通PNPN结截止结截止PN结的单向导电性1 外加正向电压使PN结导通PNP

7、N结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流基本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄PN内电场 方向外电场方向RIPN结的单向导电性2 外加反向电压使PN结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流特点特点: : 受温度影响大受温度影响大原因原因: : 反向电流是靠热激发产生的少子形成的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RI=0PN结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电

8、压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。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，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。反向电流很小。6.2 6.2 半导体二极管半导体二极管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面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 半导体二极半导体二极管的伏安特性管的伏安特性是非线性的。是非线性的。正向O 0.4 0.8 U

9、/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 死区电压：死区电压： 硅管：硅管：0.5伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.1伏左右。伏左右。 正向压降：正向压降： 硅管：硅管：0.7伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。伏。伏安特性伏安特性1 正向特性正向特性反向电流：反向电流：反向饱和电流：反向饱和电流：反向击穿电压反向击穿电压U（BR）伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压2 反向特性反向特性伏安特性的折线化U0U0US主要参数主要参数1 最大整流电流最大整流电流

10、IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。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。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。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。应用举例应用举例 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限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。幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例例: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的

11、电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。VY=+2.7V解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后， DB上加的是反向电压，上加的是反向电压，因而截止。因而截止。DA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY6.4 6.4 稳压管稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 1 1 稳压管表示符号稳压管表示符号： 正向+-

12、反向+-IZUZ2 2 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：3 稳压管稳压原理：稳压管稳压原理： 稳压管工作于反向稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿 是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 6.4 6.4 稳压管稳压管4 主要参数主要参数（2）电压温度系数）电压温度系数 U（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管在正

13、常工作下管子两端的电压。稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数说明稳压管受温度变化影响的系数6.4 6.4 稳压管稳压管（3）动态电阻）动态电阻（4 4）稳定电流）稳定电流（5 5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率 rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM6.4 6.4 稳压管稳压管例题例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用当当UUZ大于时大于时,稳压管击穿稳压管击穿RUUIZZ此时此时选选R，使，使IZ

14、0 时，二极管导通。时，二极管导通。如果忽略二极管正向压降，如果忽略二极管正向压降， 则：则： uo=u2导通导通 iD=io=uo/RL电路组成电路组成当当 u20 时，二极管时，二极管 D1 1、D3 3 导通。导通。单相桥式全波整流电路工作原理单相桥式全波整流电路工作原理当当 u200, , D1导通，导通，D2截止；截止；输出输出uo o为全波整流为全波整流波形。波形。当当u20, D2导通，导通，D1截止。截止。2o2220122sind0.92UUttUU单相全波整流电路输出电压波形单相全波整流电路输出电压平均值单相全波整流电路输出电流平均值2oL0.45UIRD2oL10.452

15、UIIR单相全波整流电路二极管上承受的最高反向电压：DRM22 2UU单相全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：单相桥式全波整流单相桥式全波整流 与与 单相全波整流单相全波整流单相桥式单相桥式全波整流全波整流单相全波单相全波整流整流变变压器压器二极管反二极管反向电压向电压输出电输出电压波形压波形整流元整流元件数量件数量二极管平二极管平均电流均电流输出电压输出电压平均值平均值无中心无中心抽头抽头4全波全波有中心有中心抽头抽头222U22 2UO12IO12I20.9U20.9U全波全波？实际中单相桥式整流应用较多。实际中单相桥式整流应用较多。 单相桥式整流电路中的整流电桥可由四单相桥式整流电

16、路中的整流电桥可由四个整流二极管组成，也可直接用集成的个整流二极管组成，也可直接用集成的代替。代替。 滤波的基本概念滤波的基本概念: :交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路就是利用储能元件就是利用储能元件电容电容两端的电压两端的电压(或通过或通过电感电感中中的电流的电流)不能突变的特性不能突变的特性, 将将电容电容与负载与负载RL并联并联(或或将将电感电感与负载与负载RL串联串联)，滤掉整流电路输出电压中，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电的

17、交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。这一过程称为压波形的目的。这一过程称为。一、滤波电路一、滤波电路1. 单相半波整流电容滤波电路单相半波整流电容滤波电路2. 单相桥式整流电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路一、滤波电路一、滤波电路半波整流滤波电路（C=100UF）波形图整流二极管中的电流滤波输出电压半波整流滤波电路（C=470UF）波形图整流二极管中的冲击电流滤波输出电压半波整流滤波电路（C=1000UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压半波整流滤波电路（C=3300UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压半波整流滤波电路（C=6800UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压全

18、波整流滤波电路（C=100UF）波形图输出电压二极管冲击电流全波整流滤波电路（C=470UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压全波整流滤波电路（C=1000UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压全波整流滤波电路（C=3300UF）波形图滤波输出电压整流二极管中的冲击电流全波整流滤波电路（C=6800UF）波形图整流二极管中的冲击电流滤波输出电压一般取一般取L(3 5)2TR C(T为电源电压的周期为电源电压的周期)近似估算近似估算: U0=1.2U2(2) (2) 流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大 RLC越大越大U0越高越高,负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大整流管导整流管导

19、电时间越短电时间越短iD的峰值电流越大。的峰值电流越大。一般选管时，取一般选管时，取00DFL1(23)(2 3)22IUIR二、二、电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点(1) (1) 输出电压输出电压U0与时间常数与时间常数RLC有关有关 RLC愈大愈大电容器放电愈慢电容器放电愈慢U0(平均值平均值)愈大。愈大。 输出波形随负载电阻输出波形随负载电阻RL或或C的变化而改变的变化而改变,U0和和S也随也随之改变。之改变。如如:RL愈小愈小(Io越大越大),Uo下降多下降多, S增大。增大。(3) (3) 输出特性输出特性( (外特性外特性):):1.4U20.9U2Uo0Io电阻负载电阻负载

20、有电容滤波有电容滤波电阻负载电阻负载 无电容滤波无电容滤波结论结论 （1 1）并联电容滤波后，输出电压直流成份（即输出电压并联电容滤波后，输出电压直流成份（即输出电压平均值）提高了；脉动成份降低了（即输出波形平滑）。平均值）提高了；脉动成份降低了（即输出波形平滑）。 通过以上半波、全波整流电容滤波电路通过以上半波、全波整流电容滤波电路的波形图和分析可以看出：的波形图和分析可以看出： （3 3）输出电压随输出电流（负载电流）增大而下降较快，输出电压随输出电流（负载电流）增大而下降较快，输出特性较软。输出特性较软。（4）滤波电容愈大，滤波效果愈好，但整流二极管的导）滤波电容愈大，滤波效果愈好，但整

21、流二极管的导通时间愈短，其中的电流冲击也愈大。通时间愈短，其中的电流冲击也愈大。（2 2）电容放电时间常数电容放电时间常数RLC愈大，放电愈慢，愈大，放电愈慢，输出电压输出电压愈愈高，脉动愈小，滤波效果愈好。高，脉动愈小，滤波效果愈好。 电容滤波电路适用于输出电压较高电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流负载电流较小且负载变动不大的场合。较小且负载变动不大的场合。 在桥式整流电路与负载间串入一电感在桥式整流电路与负载间串入一电感L L 就构成了电感就构成了电感滤波电路。滤波电路。一、电感滤波电路结构一、电感滤波电路结构2u1uTouLRL二、电感滤波原理二、电感滤波原理 对直流分量对直流分量

22、(f=0): XL=0 , ,L相当于短路相当于短路, ,电压大部分降在电压大部分降在RL上。上。U0=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为： 对谐波分量对谐波分量: : f 越高越高, ,XL越大越大, ,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。因因此此, ,在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。三、电感滤波的特点三、电感滤波的特点 整流管导电角较大整流管导电角较大, ,峰值电流很小峰值电流很小, ,输出特性比较平坦输出特性比较平坦, ,适用于低电压大电流适用于低电压大电流( (RL较小较小) )的场合

23、。缺点是电感铁芯笨重的场合。缺点是电感铁芯笨重, ,体积大体积大, ,易引起电磁干扰。易引起电磁干扰。为了进一步改善滤波特性，可采取多级滤波的办法为了进一步改善滤波特性，可采取多级滤波的办法, , 如如在电容滤波后再接一级在电容滤波后再接一级RC滤波电路，或在电感滤波后面再接滤波电路，或在电感滤波后面再接一电容。从而构成一电容。从而构成LC型或型或RC- 、LC- 型滤波电路型滤波电路，其性能，其性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似 。L-C 型滤波型滤波电路结构电路结构RC- 型滤波型滤波电路结构电路结构RC- 型滤波型滤波电路特点电路特点 R愈大

24、，愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但愈大，滤波效果愈好。但R太大，将使直太大，将使直流压降增加。流压降增加。 主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。小的场合。LC- 型滤波型滤波电路结构电路结构LC- 型滤波型滤波电路特点电路特点 滤波效果比滤波效果比LC滤波器更好，但整流二极管中的冲滤波器更好，但整流二极管中的冲击电流较大。击电流较大。电感线圈体积大而笨重、成本高。电感线圈体积大而笨重、成本高。稳压管稳压管稳压电路稳压电路开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路( (小功率设备小功率设备) )在小功

25、率设备中常用的稳压电路有在小功率设备中常用的稳压电路有稳压管稳压电路稳压管稳压电路、线线性稳压电路性稳压电路和和开关型稳压电路开关型稳压电路等。其中稳压管稳压电路最等。其中稳压管稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多，电源使用。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。以下主要讨论线性稳压电但因学时有限，这里不做介绍。以下主要讨论线性稳压电路。路。稳压电路的主要性能指标稳压电路的主要性能指标1、稳压系数、稳压系数 S稳压系数稳压系数S用来用来反映

26、电网电压波动对稳压电路的影响反映电网电压波动对稳压电路的影响。定义为当。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。0I0ISUUUU2、输出电阻、输出电阻Ro输出电阻输出电阻Ro用来用来反映稳压电路受负载变化的影响反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。源戴维南等效电路的内阻。稳压电路的主要作用稳压电路的主要作用 为负载提供不随电源电压波动和负载波动影

27、响的稳为负载提供不随电源电压波动和负载波动影响的稳定的输出电压。定的输出电压。oooUiURI常数一、电路结构一、电路结构二、工作原理二、工作原理 在稳压管的稳压区，电流变化较大时，稳压管两端电压变化较小。在稳压管的稳压区，电流变化较大时，稳压管两端电压变化较小。1. 1. 电网电压波动电网电压波动12oZRRouuUIIUU2. 2. 负载波动负载波动LoRRoZRoRIIUUIUU通过调节通过调节R上的压降来达到稳定输出电压上的压降来达到稳定输出电压Uo o的目的。的目的。2u1uTLRZIRIRUOUoICRZDiUZU三、稳压管稳压电路特点三、稳压管稳压电路特点优点：电路简单，元件少。

28、优点：电路简单，元件少。缺点：稳压效果不太好，输出电压不可调。缺点：稳压效果不太好，输出电压不可调。四、稳压管选择办法四、稳压管选择办法ZoUUOZ maxmax1.53IIio23UU五、限流电阻五、限流电阻 R 的选择原则的选择原则imaxZZmin Zmax UUIIR2.串联反馈式稳压电路由四个主要部分组成：串联反馈式稳压电路由四个主要部分组成：1、基准电压环节2、比较放大环节3、取样环节4、调整环节一、电路结构的一般形式一、电路结构的一般形式调整元件调整元件T与负载串联，通过全部负载电流。与负载串联，通过全部负载电流。比较放比较放大器大器可以是单管放大电路或集成运算放大器。可以是单管

29、放大电路或集成运算放大器。调整元件调整元件可可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。基准电压基准电压可由稳压管稳压电路组成。可由稳压管稳压电路组成。取样电路取样电路取出输出电压取出输出电压UO的一的一部分和基准电压相比较。部分和基准电压相比较。因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路。二、电路的组成二、电路的组成一、一种实际的晶体管串联反馈式稳压电源一、一种实际的晶体管串联反馈式稳压电源二二 、稳压原理、稳压原理UoUfUBE

30、2=（Uf -UZ）UC2Uo当当Ui增加或输出电流减小使增加或输出电流减小使Uo升高时：升高时：三三 、输出电压的确定和调节范围、输出电压的确定和调节范围2212P12POZBE2ZP2P212POmaxZBE2212POminZBE2P2 RRRRRRRUUUURRRRRRRUUURRRRUUUR 4 4、调整管、调整管rce愈大越好愈大越好( (rcece小则小则 Ui i引起的引起的 Uo o大大) )。四四 、影响稳压特性的主要因素、影响稳压特性的主要因素1 1、比较放大部分的、比较放大部分的AV和电压反馈系数和电压反馈系数F 愈大越好；愈大越好； 2 2、基准电压愈稳定越好；、基准

31、电压愈稳定越好；3 3、放大部分的电源愈稳定越好；、放大部分的电源愈稳定越好；调节调节RP可改变可改变Uo达到达到调压的目的。调压的目的。在运放理想条件下在运放理想条件下(AV= ri= )：1P1oRR2P2+1(1)+RRUUURRF五、选用增益高的集成运放作为放大环节的串联反馈式稳压五、选用增益高的集成运放作为放大环节的串联反馈式稳压电源电源六、存在的缺点六、存在的缺点串联反馈式稳压电源外围元件较多；另串联反馈式稳压电源外围元件较多；另外，调整管工作在线性放大区外，调整管工作在线性放大区,当负载电流当负载电流较大时，其损耗较大时，其损耗(P=UCE Io)大；电源的效率大；电源的效率为为

32、( =Po/Pi=UoIo/UiIi)较低。较低。为了提高效率，可采用开关型稳压电源。为了提高效率，可采用开关型稳压电源。集成稳压电源简介集成稳压电源简介三端集成稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，三端集成稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。电路内部附有短路和过热保护环节。 随着半导体工艺的发展随着半导体工艺的发展, ,现在已生产并广泛应用的现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小单片集成稳压电源，具有体积小, ,可靠性高可靠性高, ,使用灵活使用灵活, ,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端出和