第5章半导体二极管及基本电路ppt课件

1、第第5章章 半导体二极管半导体二极管 及基本电路及基本电路基本要求基本要求 理解理解 P N P N 结的单向导电性，理解二极管、结的单向导电性，理解二极管、稳压管的工作原理，掌握分析二极管、稳压管稳压管的工作原理，掌握分析二极管、稳压管电路的分析方法。电路的分析方法。基本内容基本内容基础知识基础知识半导体二极管半导体二极管 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法 稳压二极管及电路分析方法稳压二极管及电路分析方法 5.1 5.1 半导体的基础知识半导体的基础知识按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘体按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘体和半导体三类。和半导体三类。1.1.导体

2、：电阻率很低、电流易通过、导电性强的导体：电阻率很低、电流易通过、导电性强的物体。物体。2.2.绝缘体：电阻率很高、电流不通过、无导电能绝缘体：电阻率很高、电流不通过、无导电能力的物体。力的物体。 3.3.半导体：它的导电能力介于导体和绝缘体之间半导体：它的导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。的物体。半导体是如何导电的？怎样提高其导电能力？半导体是如何导电的？怎样提高其导电能力？ 半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组成半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组成某种形式的晶体点阵，这种半导体称为本征半导某种形式的晶体点阵，这种半导体称为本征半导体。也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。体。也就

3、是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。一一. . 本征半导体本征半导体(a) 锗锗Ge 的原子结构的原子结构 (b) 硅硅Si 的原子结构的原子结构 本征半导体导电方式本征半导体导电方式 以硅以硅SiSi元素为例讨论、分析元素为例讨论、分析 硅单晶中的共价键结构硅单晶中的共价键结构 1自由电子和空穴的形成自由电子和空穴的形成 在外界的影响下如热、光、电场、磁场等），使得其共价键中的价电子获得一定能量后，电子受到激发脱离共价键，成为自由电子带负电），共价键中留下一个空位，称为“空穴”。价电子价电子空穴空穴 自由电子自由电子 2 2载流子的形成载流子的形成在外电场的作用下，价电子填补空穴，就好像在外

4、电场的作用下，价电子填补空穴，就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，空穴运动相当于正电荷的运动。的方向相反，空穴运动相当于正电荷的运动。当加上一定方向的电场后，就会不断有激发、当加上一定方向的电场后，就会不断有激发、复合过程，出现两部分的电流，即复合过程，出现两部分的电流，即 电子电流：自由电子作定向运动所形成的电子电流：自由电子作定向运动所形成的电；电； 空穴电流：被原子核束缚的价电子递补空空穴电流：被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的电流。穴所形成的电流。自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为载流自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为

5、载流子子二二. .杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入微在本征半导体中掺入微量的杂质量的杂质( (某种元素），而形成的半导体。某种元素），而形成的半导体。杂质半导体杂质半导体N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺人少量的五价元素如在硅或锗的晶体中掺人少量的五价元素如磷元素），如下图，多余的第五个价电子很容易磷元素），如下图，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。1. N 1. N 型半导体型半导体磷原子的结构磷原子的结构硅晶体中掺磷出现自由电子硅晶体中掺磷出现自由电子N 型半导体示意图型半导体示意图

6、半导体中的自由电子数目大半导体中的自由电子数目大量增加，于是有：量增加，于是有：自由电子数自由电子数 空穴数空穴数 多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子以自由电子导电作为主要导以自由电子导电作为主要导电方式的半导体，称为电子电方式的半导体，称为电子半导体或半导体或 N N 型半导体型半导体N type N type semiconductor ) semiconductor ) 。自由电子数自由电子数 空穴数空穴数 少数载流子少数载流子 多数载流子多数载流子以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半导体或穴半导体或 P P型半导体型半导体 (

7、P type (P type semiconductor ) semiconductor ) 。硅硅晶晶体体掺掺硼硼出出现现空空穴穴硼原子的结构硼原子的结构2. P 型半导体型半导体掺杂浓度掺杂浓度温度温度N 型、型、P 型半导体示意图型半导体示意图N 型半导体型半导体 P 型半导体型半导体杂质半导体中多数载流子浓度取决于杂质半导体中多数载流子浓度取决于 少数载流子浓度取决于少数载流子浓度取决于 半导体中存在着两种载流子半导体中存在着两种载流子-自由电子和空穴。自由电子和空穴。因而，半导体的导电原理明显区别于导体。因而，半导体的导电原理明显区别于导体。 在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的

8、导在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的导电能力和参加导电的主要载流子的类型。电能力和参加导电的主要载流子的类型。 环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用这一特性制造的。这一特性制造的。半导体的特点：半导体的特点： 三三. P N . P N 结结多数载流子要从浓度大多数载流子要从浓度大的的 区域扩散到浓度小区域扩散到浓度小的区域，形成空间电荷的区域，形成空间电荷区区-PN-PN结

9、，产生电场，结，产生电场，称为内电场称为内电场 Ed Ed ；内电场对多数载的扩散内电场对多数载的扩散运动起阻挡作用，对少运动起阻挡作用，对少数载流子又起推动作用，数载流子又起推动作用，这种少数载流子在内电这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动场作用下有规则的运动称为漂移运动。称为漂移运动。注意：注意：1空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移动，不参与导电。因区域内的载流子极少，所动，不参与导电。因区域内的载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。以空间电荷区的电阻率很高。2内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用

10、，所以空间电荷区所以空间电荷区-PN结又称为阻挡层或耗尽层。结又称为阻挡层或耗尽层。1. PN1. PN结的形成结的形成随随Ed扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动达到动态平衡达到动态平衡Ed 不变不变化化形成稳定的形成稳定的PN PN 结结2. P N 2. P N 结的单向导电性结的单向导电性1PN 结加正向电压结加正向电压内电场内电场 EdPN 结变窄结变窄多子扩散运动多子扩散运动少子漂移运动少子漂移运动 PN 结导通（ PN 结呈现 R )形成正向电流形成正向电流 I 2） PN 结加反向电压结加反向电压PN 结变宽结变宽多子扩散运动多子扩散运动少子漂移运动少子漂移运动 PN 结截止 （P

11、N 结呈现反向R ） 内电场内电场 Ed形成反向电流形成反向电流 I P区接负极区接负极N区接正极区接正极加反向电压加反向电压2） PN 结加反向电压结加反向电压结论：结论：P N P N 结具有单向导电性。结具有单向导电性。加正向电压，加正向电压，PNPN结导通，正向电流较大，结结导通，正向电流较大，结电阻很低。电阻很低。加反向电压，加反向电压，PN PN 结截止，反向电流很小，结截止，反向电流很小，结电阻很高。结电阻很高。3） PN 击穿击穿当加在当加在PNPN结的反向电压超过某一数值结的反向电压超过某一数值UBRUBR时，时，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只反向电流会急剧增加

12、，这种现象称为反向击穿。只要要PNPN结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。与反向截止两种状态都是可逆的。4 4PNPN结的电容效应结的电容效应加在加在PNPN结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的变化，说明变化，说明PNPN结具电容效应。结具电容效应。PNPN结的结电容的数值结的结电容的数值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考虑一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考虑PNPN结的结电容作用。结的结电容作用。5.2 5.2 半导体二极管半导体二极管一一. 点接触式和面接触式二

13、极管的结构点接触式和面接触式二极管的结构D 阴极阴极阳极阳极二极管符号二极管符号二二. 伏安特性伏安特性VA特性特性)硅二极管的伏安特性硅二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性将二极管分为三种将二极管分为三种状态状态截止、导截止、导通和击穿。通和击穿。 硅二极管的伏安特性硅二极管的伏安特性 锗二极管的伏安特性锗二极管的伏安特性1正向特性：正向特性： OA段：当段：当 UF UT （死区电压时外电场不（死区电压时外电场不 足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流故正向电流 IF 很小很小(I F 0)， D处于截止状态。处于截止

14、状态。 硅硅(Si)：U T 0.5V; 锗锗(Ge): U T 0.1V。 AB段：当段：当 U F U T后，后， Ed扩散运动扩散运动 I F D 导通。导通。D导通时的正向压降，硅管约为导通时的正向压降，硅管约为(0.60.7)V，锗管，锗管约为约为(0.20.3)V。分析：分析：2） 反向特性反向特性OC段：当段：当 U R U BR （击穿电压时，（击穿电压时， CD段：当段：当 U R U BR 后，后， PN结被击穿，结被击穿，I R随随 U D 失去单向导电性。失去单向导电性。扩散扩散漂移漂移Ed I R 很小很小D 截止。截止。一般情况下，锗管反向电流一般情况下，锗管反向电

15、流I R硅管硅管I R反向电反向电流。流。综述：综述：1二极管的二极管的 VA 特性为非线性；特性为非线性；2当当 时，且时，且 U D U T ，那么，那么 D 导通；导通；3当当 -U BR U D U T ，有，有I R 0，则，则D 截截 止；止；4当当 时，且时，且 绝对值绝对值U R U BR ，则，则反向击穿烧坏。反向击穿烧坏。三三. 主要参数主要参数 1最大整流电流最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时，允许流过二极二极管长时间可靠工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流。管的最大正向平均电流。 2最高反向工作电压最高反向工作电压 U R M 保证二极管不被击穿而给出

16、的反向峰值电保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。压。 U R M=（击穿电压）（击穿电压）/ 2 3最大反向电流最大反向电流 I R M 当二极管加上反向工作峰值电压时所对应当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的反向电流。的反向电流。 I R M越小，单向导电性好。越小，单向导电性好。 二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器件，分析电路时常采用模型分析法。件，分析电路时常采用模型分析法。 理想模型理想模型 恒压模型恒压模型 5.3 二极管基本电路及分析方法二极管基本

17、电路及分析方法 例例 1. 当输入电压为当输入电压为 ui ，试绘出输出电压试绘出输出电压 uo 波波形。设形。设U c ( 0+ ) = 0，tp RC ，D为理想二为理想二极管。极管。整流作用整流作用微分电路微分电路 例例 2. 开关电路如图所开关电路如图所示，当输入端示，当输入端 UA = 3V ， UB = 0 V,试求试求 输输出端出端 Y 的电位的电位 UY。 解：解： UA = 3V， UB = 0V DA优先导通，优先导通， DB 截止；截止；那么那么 UY = UAUD =30.7(0.3)= 2.3( 2.7) V例例 2图图UA UB U 0 2.30 3 2.33 3

18、2.30 0 -0.71 0 10 1 11 1 10 0 0电路的逻辑关系为或逻辑电路的逻辑关系为或逻辑二极管具有钳位作用二极管具有钳位作用 例例 3. 限幅削波限幅削波作用电路如图所示，作用电路如图所示，求求 uo 及画出波形。及画出波形。解：解：1当当 ui E 时，时， D导通；导通； uo = UD + E E 2) 当当 ui E 时时, D截止，截止， uo = uitUuisin25. 4 稳压二极管DZ)稳压二极管的工作机理是稳压二极管的工作机理是利用利用PN结的击穿特性。结的击穿特性。 一一. VA特性、符号、状特性、符号、状态态DZDZ分析：分析：1稳压管的正向特性与二极

19、管相同。稳压管的正向特性与二极管相同。2稳压管的反向特性稳压管的反向特性OA段段 ：当：当 0U UZ （反向击穿电压，数值较小（反向击穿电压，数值较小时，时，I Z很小，稳压管截止；很小，稳压管截止；AB段：当段：当 U UZ 时，稳压管反向击穿，时，稳压管反向击穿，I Z 很大，虽很大，虽 I Z变化范围很大，但变化范围很大，但 DZ 稳压管两端的电压稳压管两端的电压UZ 变化很小；体现了稳压特性。变化很小；体现了稳压特性。 由此得知：由此得知：1稳压管的稳压管的 VA 特性为非线性，且反向特性很陡，；特性为非线性，且反向特性很陡，；2稳压管有导通、截止、击穿三个状态，常工作于稳压管有导通

20、、截止、击穿三个状态，常工作于反向击穿状态。反向击穿状态。二二. 主要参数主要参数1). 稳定电压稳定电压 UZ DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是它的在正常工作下管子两端的电压，也就是它的反向击穿电压。反向击穿电压。2). 稳定电流稳定电流 IZ DZ在稳定电压工作管子中的工作电流。在稳定电压工作管子中的工作电流。3). 动态电阻动态电阻 rZ DZ管端电压的变化量与相应的电流变化量的比管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。即值。即ZZIUrz（动态电阻愈小， 稳压性能愈好。） 例例 1.电路如图所示，设稳压管电路如图所示，设稳压管DZ1 和和DZ2 的稳定的稳定电压分别为电压分别为

21、5V和和10V, 试求出输出电压试求出输出电压U，判断，判断稳压管所处的工作状态。已知稳压管正向电压为稳压管所处的工作状态。已知稳压管正向电压为0.7V。解：解： 当当DZ1 和和DZ2断开时，断开时，同时加有同时加有25V反向电压。反向电压。由于由于DZ1DZ2小，小，DZ1先被击穿，先被击穿，UO5V，因而因而DZ1处于击穿状态，处于击穿状态，DZ2处于截止状态。处于截止状态。 5.5 二极管和稳压管在直流电源中的应用二极管和稳压管在直流电源中的应用 半导体直流电源的原理方框图。半导体直流电源的原理方框图。基本要求：理解单相整流、滤波、稳压电路的基本要求：理解单相整流、滤波、稳压电路的工作

22、原理，掌握设计全波整流、电容滤波电路工作原理，掌握设计全波整流、电容滤波电路的方法。的方法。图中各环节的功能如下：图中各环节的功能如下：1. 1. 变压：将交流电源电压变换为符合整流需要变压：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。的电压。2. 2. 整流电路：将交流电压变换为单向脉动的直整流电路：将交流电压变换为单向脉动的直流电压。流电压。3. 3. 滤波电路：减小整流电压的脉动程度，以适滤波电路：减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。合负载的需要。4. 4. 稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定。时，使直流输出电压稳定。一、

23、变压一、变压利用变压器将交流电源电压变换为符合整流需利用变压器将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。要的电压。变压器结构、符号和参数变压器结构、符号和参数铁轭铁心柱电源负载u1u2原绕组N1副绕组N2N2N1u1u2i1i2U1变比变比K=U2额定容量额定容量SN=UN2IN2二、二、 整流电路整流电路2工作原理工作原理u1 经经Tr u2 波形图波形图 u20u2 0 D导通导通 uo = u2 ;D截止截止 uo = 0 ; 1. 单相半波整流电路单相半波整流电路1）. 电路组成电路组成3主要参数主要参数(1) 单相半波整流电压的平均值单相半波整流电压的平均值UO)()()(ttdSin

24、UtdtuTUTO20002211) 1 . 6(45. 0222UU (2) 单相半波整流电流的平均值单相半波整流电流的平均值IO)2 . 6(45. 02LLOORURUI(3) 二极管中的平均电流二极管中的平均电流ID) 3 . 6(45. 02LODRUII (4) 二极管承受的最大反向电压二极管承受的最大反向电压UDRM)4 . 6(22UUDRM 4整流元件的选择整流元件的选择 根据根据ID、 UDRM 选择合适的整流元件选择合适的整流元件D;1）. 电路组成：电路组成： 原理图如图所示原理图如图所示单相桥式整流电路图单相桥式整流电路图2. 单相桥式整流电路单相桥式整流电路2工作过

25、程工作过程当当u2 0 (正半周正半周)，D1、D3导通，导通，D2、D4 截止。截止。i2的通路是的通路是a D1 RL D3 b;当当u2 0 (负半周负半周)，D2、D4 导通，导通，D1、D3 截止。截止。i2 的通路是的通路是b D2 RL D4 a ;单相桥式整流电路波形图单相桥式整流电路波形图3主要参数主要参数(1) (1) 单相桥式整流电压的平均值单相桥式整流电压的平均值UOUO)(21220tduUO)5 . 6(9 . 02U)(2120ttdSinU (2) 单相桥式整流电流的平均值单相桥式整流电流的平均值IO)6 . 6(9 . 02LLOORURUI(3) 二极管中的

26、平均电流二极管中的平均电流ID)7 . 6(45. 0212LODiDRUIII (4) 二极管承受的最大反向电压二极管承受的最大反向电压UDRM).( 8622UUDRM4 4整流元件及变压器的选择整流元件及变压器的选择(1) (1) 根据根据IDID、 UDRM UDRM 选择整流电路元件选择整流电路元件D1D1 D4;D4;(2) (2) 根据负载根据负载RLRL的要求决定变压器副边的有效值，的要求决定变压器副边的有效值， UO = 0.9 U2 , IO = 0.9 I2 UO = 0.9 U2 , IO = 0.9 I2 U2 = 1.11 UO , I2 = 1.11 IO U2

27、= 1.11 UO , I2 = 1.11 IO (3)(3)根据根据U2 U2 、I2I2和电源电压和电源电压U1U1选择变压器。选择变压器。 变比：变比： K= U1/ U2K= U1/ U2 容量：容量： S = I2S = I2U2 U2 例例1: 已知负载电阻RL80，负载电压Uo110V。今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为380V。 (1)如何选用二极管? (2) 求整流变压器的变比及容量。 解: (1)二极管:A38. 180110LOORUIA69. 021ODIIV21.12211. 12OUUV8 .17222UUDRM选择选择:IFM 0.69A，URM 172.8V

28、。 (2) 整流变压器的变比和容量：整流变压器的变比和容量： 变比变比1 . 321.12238021UUK I2 = 1.11 IO 1.53 A变压器的容量变压器的容量 S = I2U2 = 1.53122.21187 VA选择变压器选择变压器 K=4 S187VA三、三、 滤波电路滤波电路1. 电容低通滤波器电容低通滤波器1）. 电路组成电路组成2）. 工作过程工作过程分析分析: 设设uC (0-) = 0,(1) u2 0 (正半周正半周)a) 当当0 u2 U2m 0/)(31CRRRLDDD1、D3导通，导通， D2、D4 截截止，止，iD = iC + iO, uC = uO，电

29、容充电。电容充电。b) 当当 u2 uC ，且，且/ 2 t 时时CRLD1、D3、D2、D4截止截止 ，iD =0， iC = iO, uC = uO，电容向负载放电电容向负载放电 。(2) u2 0 (负半周负半周)，a) 在在t 3/ 2，当，当 uC| u2 |U2m 时，时， D2、D4 导通，导通， D1、D3 截止，有截止，有:iD = iC + iO, uC = uO，电容充电。，电容充电。b) 在在3/ 2 t 2 ，当当| u2 | uC 时，时，D1D4截止截止 ，有，有:iD =0， iC = iO, uC = uO，电容放，电容放电电 。 (3) 以后，电容周期性的以

30、后，电容周期性的充电、放电。充电、放电。3）. 参数估算参数估算放电时间常数放电时间常数= RL C，若，若RL愈大，愈大，即即愈大，则愈大，则uO 愈平坦，脉动愈小，愈平坦，脉动愈小，UO 值愈高。因而，输出电压受负载值愈高。因而，输出电压受负载变化的影响较大，电容滤波电路的外变化的影响较大，电容滤波电路的外特性较差。为得到较好的滤波效果，特性较差。为得到较好的滤波效果，一般取一般取:2)53(TCRLLRTC2)53(1) C=(3 5)T/(2RL)(2) 在在(1) 条件下，有：条件下，有：UO = (1.11. 2 )U2 , 一般取：一般取： UO =1. 2 U2 (3) 输出电

31、流平均值：输出电流平均值：LLOORURUI221. (4) 整流管中的平均电流值：整流管中的平均电流值：ODII2141在在U2=0U2=0的瞬间加的瞬间加C C在在U2U2最大瞬间加最大瞬间加C C232(ODII）例例2: 有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率源频率 f 50 HZ， U1 = 220V，负载电阻，负载电阻RL1000 ，要求直流输出电压，要求直流输出电压uo30V，选择整流二极管及，选择整流二极管及滤波电容器。滤波电容器。解解: (1) 选择整流二极管选择整流二极管AmRUILOO30100030ID=IO=30mA取取

32、:UO =1. 2 U2 ，那么，那么: U2 = UO /1. 2 = 25V 5V325222UUDRM故选用整流二极管为故选用整流二极管为2CP11，其，其IF=100 mA , UDRM=50V。(2) 选择选择 滤波电容器滤波电容器 据式据式 = RLC（35T/2 取取 RLC=5T/2 且且 f = 50 HZ T = 1 / f = 0.02 sF250F10250200202. 05256LRTC2. 2. 电感低通滤波器电感低通滤波器1 1）. . 电路组成电路组成 电感低通滤波电路电感低通滤波电路2）. 分析分析(1) XL =L，随谐波，随谐波 f XL 可以减弱整流电压中的交流分量，在可以减弱整流电压中的交流分量，在负载上可得到低频分量；负载上可得到低频分量；(2)当当 f = 0时，时， XL = 0，直流分量全部降在负载直流分量全部降在负载 RL 上。上。可见，可见， XL滤去高次谐波，输出端得到滤去高次谐波，输出端得到较为平坦的输出电压。较为平坦的输出电压。四、四、 稳压电路稳压电路1. 并联稳压电路并联稳压电路1）. 电路组成电路组成并联稳压电路并联稳压电路 根据电路结构有：根据电路结构有： UO = UZ = UiIR*R (6.9