电工电子第六章

第6章半导体二极管及其运用前往武汉工程大学电工教研室目录6.1半导体根底知识6.2半导体二极管6.3二极管的运用6.4特殊二极管6.5直流稳压电源6.1半导体的导电特性半导体：导电才干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真的半导体。运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.硅的原子构造纯真的半导体其一切的原子根本上整齐陈列，构成晶体构造，所以半导体也称为晶体——晶体管称号的由来本征半导体晶体构造中的共价健构造6.1.1本征半导体SiSiSiSi共价键价电子自在电子与空穴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，成为自在电子同时在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiSi自在电子热激发与复合景象由于受热或光照产生自在电子和空穴的景象-----热激发6.1.1本征半导体自在电子在运动中遇到空穴后，两者同时消逝，称为复合景象温度一定时，本征半导体中的自在电子—空穴对的数目根本不变。温度愈高，自在电子—空穴对数目越多。SiSiSiSi自在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。载流子自在电子和空穴由于，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SiSiSiSi价电子空穴当半导体两端加上外电压时，自在电子作定向运动构成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动6.1.2N型半导体和P型半导体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〕。自在电子是多数载流子，空穴是少数载流子。电子型半导体或N型半导体SiSiP+Si多余电子6.1.2N型半导体和P型半导体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，自在电子是少数载流子。空穴型半导体或P型半导体。SiSiB-Si空穴6.1.2N型半导体和P型半导体不论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，但是整个晶体依然是不带电的。前往6.1.3PN结PN结的构成自在电子PN空穴PN结是由分散运动构成的PN结的构成自在电子PN空间电荷区内电场方向空穴PN结的构成分散运动和漂移运动的动态平衡分散强漂移运动加强内电场加强两者平衡PN结宽度根本稳定外加电压平衡破坏分散强漂移强PN结导通PN结截止PN结的单导游电性1外加正向电压使PN结导通PN结呈现低阻导通形状，经过PN结的电流根本是多子的分散电流——正向电流–+变窄PN内电场方向外电场方向RIPN结的单导游电性2外加反向电压使PN结截止PN结呈现高阻形状，经过PN结的电流是少子的漂移电流----反向电流特点:受温度影响大缘由:反向电流是靠热激发产生的少子构成的+-变宽PN内电场方向外电场方向RI=0PN结的单导游电性结论PN结具有单导游电性〔1〕PN结加正向电压时，处在导通形状，结电阻很低，正向电流较大。〔2〕PN结加反向电压时，处在截止形状，结电阻很高，反向电流很小。前往6.2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引线外壳触丝N型锗片点接触型表示符号伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-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O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-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。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〕伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压2反向特性伏安特性的折线化U0U0US主要参数1最大整流电流IOM：二极管长时间运用时，允许流过的最大正向平均电流。2反向任务峰值电压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:二极管上加反向任务峰值电压时的反向电流值。运用举例主要利用二极管的单导游电性。可用于整流、检波、限幅、元件维护以及在数字电路中作为开关元件。例: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。VY=+2.7V解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因此截止。DA起钳位作用，DB起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY前往6.4稳压管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。1稳压管表示符号：

正向+-反向+-IZUZ2稳压管的伏安特性：3稳压管稳压原理：稳压管任务于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。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稳压管4主要参数〔2〕电压温度系数〔1〕稳定电压UZ稳压管在正常任务下管子两端的电压。阐明稳压管受温度变化影响的系数6.4稳压管〔3〕动态电阻〔4〕稳定电流〔5〕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IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。PZM=UZIZM6.4稳压管例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用当U<UZ时,电路不通；当U>UZ大于时,稳压管击穿此时选R，使IZ<IZM前往6.5直流稳压电源一.组成直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。前往电源变压器:将交流电网电压u1变为适宜的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压uR。滤波电路:将脉动直流电压uR转变为较平滑的直流电压uF。稳压电路:去除电网动摇及负载变化的影响,坚持输出直流电压U0的稳定。二.功能前往以下主要引见小功率电源中常用的前三种电路。单相整流电路整流电路的义务利用半导体单导游电元件把交流电压转变为脉动的直流电压。整流电路的种类整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流；三相半波、三相桥式全波整流等多种电路。为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处置，即二极管的正导游通电阻为零，反向电阻为无穷大。前往单相半波整流电路的任务原理电路组成当u2>0时，二极管导通。假设忽略二极管正向压降，那么：uo=u2导通iD=io=uo/RL前往单相半波整流电路的任务原理电路组成当u2<0时，二极管导通。假设忽略二极管正向压降，那么：uo=0iD=io=0截止前往单相半波整流电路输出电压波形单相半波整流电路输出电压平均值前往单相半波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：单相半波整流电路中二极管上接受的最高反向电压：前往单相桥式全波整流电路的任务原理单相桥式全波整流电路组成前往单相桥式全波整流电路任务原理当u2>0时，二极管D1、D3导通。前往单相桥式全波整流电路任务原理当u2<0时，二极管D2、D4导通。前往单相桥式全波整流电路的波形前往单相桥式全波整流电路输出电压波形单相桥式整流电路输出电压平均值单相桥式全波整流电路输出电流平均值前往单相桥式全波整流电路二极管上接受的最高反向电压：单相桥式全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：前往单相全波整流电路的任务原理电路组成任务原理当u2>0,D1导通，D2截止；输出uo为全波整流波形。当u2>0,D2导通，D1截止。前往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前往单相全波整流电路二极管上接受的最高反向电压：单相全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：前往思索：单相桥式全波整流与单相全波整流异同单相桥式全波整流单相全波整流变压器二极管反向电压输出电压波形整流元件数量二极管平均电流输出电压平均值无中心抽头4全波有中心抽头2全波？？？实践中单相桥式整流运用较多。前往单相桥式整流电路中的整流电桥可由四个整流二极管组成，也可直接用集成的整流桥块替代。整流桥块二极管桥选择整流元件的主要目的：1.平均整流电流2.反向耐压前往整流桥实物照片前往前往滤波电路滤波的根本概念: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。滤波电路就是利用储能元件电容两端的电压(或经过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保管其直流成份，到达平滑输出电压波形的目的。这一过程称为滤波。前往电容滤波电路一、滤波电路1.单相半波整流电容滤波电路前往2.单相桥式整流电容滤波电路一、滤波电路前往半波整流滤波电路〔C=100UF〕波形图整流二极管中的电流滤波输出电压前往半波整流滤波电路〔C=470UF〕波形图整流二极管中的冲击电流滤波输出电压前往半波整流滤波电路〔C=1000UF〕波形图二极管冲击电流滤波输出电压前往半波整流滤波电路〔C=3300UF〕波形图二极管冲击电流滤波输出电压前往半波整流滤波电路〔C=6800UF〕波形图二极管冲击电流滤波输出电压前往全波整流滤波电路〔C=100UF〕波形图输出电压二极管冲击电流前往全波整流滤波电路〔C=470UF〕波形图二极管冲击电流滤波输出电压前往全波整流滤波电路〔C=1000UF〕波形图二极管冲击电流滤波输出电压前往全波整流滤波电路〔C=3300UF〕波形图滤波输出电压整流二极管中的冲击电流前往全波整流滤波电路〔C=6800UF〕波形图整流二极管中的冲击电流滤波输出电压前往普通取(T为电源电压的周期)近似估算:U0=1.2U2(2)流过二极管瞬时电流很大RLC越大U0越高,负载电流的平均值越大整流管导电时间越短iD的峰值电流越大。普通选管时，取二、电容滤波电路的特点(1)输出电压U0与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢U0(平均值)愈大。前往输出波形随负载电阻RL或C的变化而改动,U0和S也随之改动。如:RL愈小(Io越大),Uo下降多,S增大。(3)输出特性(外特性):1.4U20.9U2Uo0Io电阻负载有电容滤波电阻负载无电容滤波前往结论〔1〕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〕。经过以上半波、全波整流电容滤波电路的波形图和分析可以看出：〔3〕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。〔4〕滤波电容愈大，滤波效果愈好，但整流二极管的导通时间愈短，其中的电流冲击也愈大。〔2〕电容放电时间常数RLC愈大，放电愈慢，输出电压愈高，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,负载电流较小且负载变动不大的场所。前往电感滤波在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。一、电感滤波电路构造前往二、电感滤波原理对直流分量(f=0):XL=0,L相当于短路,电压大部分降在RL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：对谐波分量:f越高,XL越大,电压大部分降在XL上。因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。三、电感滤波的特点整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流(RL较小)的场所。缺陷是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。前往LC型、型滤波为了进一步改善滤波特性，可采取多级滤波的方法,如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一电容。从而构成LC型或RC-、LC-型滤波电路，其性能及运用场所分别与电容滤波和电感滤波类似。L-C型滤波电路构造前往RC-型滤波电路构造RC-型滤波电路特点R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R太大，将使直流压降添加。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所。前往LC-型滤波电路构造LC-型滤波电路特点滤波效果比LC滤波器更好，但整流二极管中的冲击电流较大。电感线圈体积大而笨重、本钱高。前往稳压电路稳压管稳压电路开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)在小功率设备中常用的稳压电路有稳压管稳压电路、线性稳压电路和开关型稳压电路等。其中稳压管稳压电路最简单，但是带负载才干差，普通只提供基准电压，不作为电源运用。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，这里不做引见。以下主要讨论线性稳压电路。前往稳压电路的主要性能目的1、稳压系数S稳压系数S用来反映电网电压动摇对稳压电路的影响。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。2、输出电阻Ro输出电阻Ro用来反映稳压电路受负载变化的影响。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。它实践上就是电源戴维南等效电路的内阻。稳压电路的主要作用为负载提供不随电源电压动摇和负载动摇影响的稳定的输出电压。前往稳压管稳压电路一、电路构造前往二、任务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。1.电网电压动摇2.负载动摇经过调理R上的压降来到达稳定输出电压Uo的目的。前往三、稳压管稳压电路特点优点：电路简单，元件少。缺陷：稳压效果不太好，输出电压不可调。四、稳压管选择方法五、限流电阻R的选择原那么1.2.前往串联反响式稳压电路串联反响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、电路构造的普通方式前往调整元件T与负载串联，经过全部负载电流。比较放大器可以是单管放大电路或集成运算放大器。调整元件可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。基准电压可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。因调整管与负载接成射极输出器方式，为深度串联电压负反响，故称之为串联反响式稳压电路。二、电路的组成前往一、一种实践的晶体管串联反响式稳压电源二、稳压原理UoUfUBE2=〔Uf-UZ〕UC2Uo当Ui添加或输出电流减小使Uo升高时：前往三、输出电压确实定和调理范围4、调整管rce愈大越好(rce小那么Ui引起的Uo大)。四、影响稳压特性的主要要素1、比较放大部分的AV和电压反响系数F愈大越好；2、基准电压愈稳定越好；3、放大部分的电源愈稳定越好；调理RP可改动Uo到达调压的目的。稳压本质：经过负反响使输出电压稳定。前往在运放理想条件下(AV=ri=)：五、选用增益高的集成运放作为放大环节的串联反响式稳压电源前往六、存在的缺陷串联反响式稳压电源外围元件较多；另外，调整管任务在线性放大区,当负载电流较大时，其损耗(P=UCEIo)大；电源的效率为(=Po/Pi=UoIo/UiIi)较低。为了提高效率，可采用开关型稳压电源。前往集成稳压电源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，电路内部附有短路和过热维护环节。随着半导体工艺的开展,如今已消费并广泛运用的单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,运用灵敏,价钱低廉等优点。最简单的集成稳压电源只