单元七半导体器件及应用

单元七半导体器件及应用7.2半导体二极管7.3晶闸管7.1半导体的导电特性、PN结7.5滤波器7.6直流稳压电源7.4整流电路

本单元要求：1.

理解半导体的导电特性、

PN结的单向导电性；2.理解二极管、稳压管和晶闸管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3.理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算;4.了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工作原理;5.了解集成稳压电路的性能及应用。1半导体的导电特性、PN结一、半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强1.1本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。1.2N型半导体和P型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。二、PN结2.1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－动画形成空间电荷区2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。外电场–+内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－由此可见，PN结具有单向导电性。2半导体二极管一、基本结构(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型图1–12半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)符号D二、伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。三、主要参数1.最大整流电流

IOM：二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URWM：是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。四、几种特殊二极管：光敏二极管（当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化）；发光二极管（简称LED，是一种光发射元件，当发光二极管的PN结加上正向电压时，会发生发光现象）；稳压二极管（是一种用特殊工艺制造的硅材料二极管，它具有稳定电压的功能，在稳压设备和一些电子电路中经常使用）。二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。（相当于一个闭和的开关）2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。（相当于一个断开的开关）

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。3晶闸管晶闸管原称可控硅，是硅晶体闸流的简称。它是近40年来发展起来的一种较理想的大功率电能变换与控制的理想器件。自晶闸管问世以来，弱电对强电的控制得到了快速的发展，在工业生产领域的各个方面得到了广泛的应用，如可控整流、逆变、变频、交流调压等。一、晶闸管的结构晶闸管有三个电极，阳极A、阴极K和控制极（门极）G。螺栓式晶闸管有螺栓的一端是阳极，使用时用它固定在散热器上，安装、更换管子方便，但仅靠阳极散热器效果差；另一端有两根引线，其中较粗的是阴极，较细的是控制极。平板式晶闸管的中间金属环的引出线是控制极，离控制极较远的端面是阳极，近的端面是阴极，使用时晶闸管夹在两个散热器中间，散热效果好。晶闸管的结构示意图及图形符号如下图所示，管芯由P型和N型半导体组成P1、N1、P2、N2结构，形成三个PN结J1、J2和J3，分别从P1、P2、N2引出三个电极，所以晶闸管是一个四层三端半导体器件。a)螺栓式b)平板式晶闸管外形图a）结构示意图b）图形符号晶闸管结构示意图和符号二、晶闸管的工作特性EaHLVTSEgRa）反向阻断EaHLVTSEgRb）正向阻断EaHLVTSEgRc）正向导通d）去掉触发信号EaHLVTSEgR由以上分析可得出晶闸管的工作性能：（1）导通条件：在晶闸管的阳极与阴极间加正向电压，同时在控制极与阴极间加正向电压，晶闸管就能导通。两者缺一不可。（2）关断条件：晶闸管导通后，控制极失去控制作用，即使去掉控制极电压，晶闸管仍然导通。若要使晶闸管关断，只有在阳极与阴极间加反向电压，或去掉正向电压，使流过晶闸管的阳极主电流小于某一数值，才能关断。（3）晶闸管导通后，控制极失去控制作用，因此，控制极只需要一个触发脉冲就可触发晶闸管导通。（4）晶闸管具有单向导电性，且导通时刻是可以通过控制极控制的，所以，晶闸管可以用来构成可控整流电路。（5）晶闸管还可以用作无触点功率静态开关，取代继电器、接触器构成控制电路。直流稳压电源小功率直流稳压电源的组成功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压4整流电路整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。分析时可把二极管当作理想元件处理：

二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：

利用二极管的单向导电性uDO一、单相半波整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；3.工作波形

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1.电路结构–++–aTrDuLu2bRLiL动画u2tOuLO4.参数计算(1)输出电压平均值UL(2)输出电流平均值IL(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM5.整流二极管的选择平均电流ID与最高反向电压UDRM是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：

IOF

ID，URWM2UDRM

半波整流电路的优点是结构简单，使用的元件少。但是也存在明显的缺点：只利用了电源的半个周期，所以电源的利用率较低，而且输出电压脉动较大。故半波整流只用在对脉动要求不高，输出电流较小（几十毫安以下）的直流设备。二、单相桥式整流电路2.工作原理u负半周，Va＜Vb，二极管D2、D4

导通，D1、D3截止。3.工作波形uD2uD41.电路结构uouDttRLuiouo1234ab+–+–－－uuD1uD3u

正半周，Va>Vb，二极管D1、D3

导通，D2、D4

截止。由此可见，桥式整流电路中，D1、D3和D2、D4轮流导通，流过负载的是两个半波的电流，电流方向相同，故称为全波整流。从桥式整流的波形图可看出其输出直流电压的脉动程度比半波整流降低了。输出电压平均值UL(2)输出电流平均值IL(4)每管承受的最高反向电压(3)流过每管电流平均值ID整流二极管的选择一般选管根据二极管的电流ID和二极管所承受的最大反向电压UDRM进行选择，即二极管的最大整流电流IOM＞ID，二极管的反向工作峰值电压URWM＞2UDRM。必须注意，桥式整流电路的四个二极管的正负极不能接反。交流电源和直流负载也不许接错。否则，可能发生电源短路，不仅烧坏整流管，甚至烧坏电源变压器。桥式整流电路的优点是电源利用率高，输出电压提高了一倍。流过每个管子的电流仅为输出电流的一半，有利于电路的保护。单相整流电路只用三相供电线路中的一相电源，如果电流较大，将使三相负载严重不平衡，影响供电质量。故单相桥式整流电路仅适用于中、小功率的整流。大功率整流（几千瓦以上）一般采用三相整流电路。三相整流不仅可以做到三相电源的负载平衡，而且输出的直流电压脉动更小。例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=50，负载电压UL=100V，试求变压器的副边电压U2，并选择二极管。变压器副边电压U=U0/0.9

111V可选用二极管2CZ10C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。解:由UDRM=157V得由得由得例2：试分析图示桥式整流电路中的二极管D2

或D4

断开时负载电压的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D3三、三相桥式整流电路2.工作原理在每一瞬间共阴极组中阳极电位最高的二极管导通；共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。1.电路D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––o三相变压器原绕组接成三角形，副绕组接成星形共阳极组共阴极组在t1~

t2

期间共阴极组中a点电位最高，D1导通；共阳极组中b点电位最低，D4导通。负载两端的电压为线电压uab。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2.工作原理变压器副边电压uouaubuC2uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9在t2~

t3

期间共阴极组中a点电位最高，D1导通；共阳极组中c点电位最低，D6导通。负载两端的电压为线电压uaC。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2.工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo在t3~

t4

期间共阴极组中b点电位最高，D3导通；共阳极组中c点电位最低，D6导通。负载两端的电压为线电压ubC。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2.工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo在t4~

t5

期间共阴极组中b点电位最高，D3导通；共阳极组中a点电位最低，D2导通。负载两端的电压为线电压uba。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2.工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo2.工作原理结论：

在一个周期中，每个二极管只有三分之一的时间导通（导通角为100°）。D1RLuoD6D3D5D4D2iocbau++––

o变压器副边电压负载电压负载两端的电压为线电压。uouaubuC23.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM5滤波器

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。

一、电容滤波器

1.电路结构2.工作原理

u>uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC

增加，uo=uC

。

u<uC时，二极管截止，电容通过负载RL

放电，uC按指数规律下降，uo=uC

。+Cici–++–aDuoubRLio=uC

3.工作波形二极管承受的最高反向电压为。uoutOtO4.电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC

越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

桥式、全波）

Uo

=1.0U（半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值uRLuo++––~+C解：1.选择整流二极管可选用二极管2CP10IOM=100mAUDRM=50V

二、电感电容滤波器1.电路结构L

uRLuo++––~+C2.滤波原理对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。

LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。三、形滤波器形LC滤波器

滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。

比形LC滤波器的体积小、成本低。LuRLuo++––~+C2+C1形RC滤波器RuRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。10.3直流稳压电源

稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。

稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。

稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。6稳压电路1.符号UZIZIZMUZIZ2