电工及电子技术基础课件：第九章 晶体二极管与直流稳压电源

1、9.1 半导体的基础知识 9.2 晶体二极管 9.3 直流稳压电源,第九章 晶体二极管与直流稳压电源,9.1 半导体的基础知识,1、物理基础,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,2、半导体的导电特性,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,3、本征半导体,1）本征半导体的结构特点,（完全纯净的、结构完整的半导体晶体）,现代电子学中

2、，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,2)本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使少数价

3、电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。二者总是成对出现的,同时又不断复合。,(1-7),自由电子,空穴,束缚电子,原子因失去一个价电子而带正电，可以说空穴带正电。,(1-8),在外力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而这个电子原来的位置又留下新空位，其他电子又可转到此位置,若在本征半导体两端加外电场，半导体中将出现两部分电流： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力也就越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的另一大特点。,本征

4、半导体的导电能力取决于载流子的浓度。半导体中同时存在电子导电和空穴导电，这是半导体导电的最大特点，也是半导体与金属在导电机理上的本质区别。,4、杂质半导体,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空穴半导体。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为电子半导体。,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,多余 电子,磷原子,在硅或锗的晶体中掺入微量的五价元素（P）。,1、由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由

5、电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,1)N 型半导体,2)P 型半导体,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,空穴,硼原子,在硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素（B）。,3)杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,1）PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,5、PN结,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂

6、移使空间电荷区变薄。,P型半导体,N型半导体,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,浓度差,扩散运动,内电场,PN 结的形成过程小结,内电场不变,扩散运动和漂移运动 动态平衡,(1-18),1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,a）PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,2）PN结的单向导电性,b）PN结反向偏置

7、,N,P,+,_,内电场被加强，多子的扩散受抑制，少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,9.2 晶体二极管,1、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,二极管的电路符号：,(1-22),半导体二极管图片,(1-23),2、伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.6-0.7V,锗管0.2-0.3V。,反向击穿电压UBR,(1-25),3、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。,为了防止二极管反向击穿而规定的最高反向工作电压。击穿时反向电流剧增，二极管的单

8、向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。最高反向工作电压一般为反向击穿电压的一半或三分之二。,2. 最高反向工作电压,(1-26),指二极管加上最大反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,3. 最大反向电流,二极管主要用于整流、限幅、保护电路中。,(1-27),二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V

9、阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,(1-28),电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,(1-29),两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6

10、V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,(1-30),ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,参考点,二极管阴极电位为 8 V,(1-31),反向击穿是稳压管的正常工作状态,4、特殊二极管,稳压二极管,(1-32),（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,

11、（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,rz越小，稳压性能越好。,(1-33),光电二极管,工作在反向电压下，反向电流随光照强度的增加而上升。,发光二极管,有正向电流流过时，会发出清晰的光，它的电特性与一般二极管类似。寿命很长，一般作显示用。,(1-34),交流 电压,脉动 直流电压,较平滑的 直流电压,直流 电压,把交流电压转变为直流脉动的电压,9.3 直流稳压电源,把交流电压转变为直流脉动电压。,单相半波、全波、桥式整流等。,为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,说明：,整流电路的任务：,常见的小功率

12、整流电路：,1、整流电路,1)单相半波整流电路的工作原理,u2 0 时，二极管导通。,忽略二极管正向压降： uo=u2,u20时，二极管截止,输出电流为0。,uo=0,(4) 输出电压平均值（Uo）：,(1) 输出电压波形：,(3) 二极管上承受的最高电压：,(2) 二极管上的平均电流：,ID = IL,2)单相桥式整流电路的工作原理,桥式整流电路,u2正半周时电流通路,桥式整流电路,u0,u2负半周时电流通路,u20 时,D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路: A D1 RLD3B,u20 时,D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: B D2 RLD4A,输出是脉动的直流电压！,桥式

13、整流电路输出波形及二极管上电压波形,(4) 输出电压平均值（Uo） ：,Uo=0.9U2,(1) 输出电压波形：,(2) 二极管上承受的最高电压：,(3) 二极管上的平均电流：,(1-42),几种常见的硅整流桥外形：,电容滤波电路的结构特点: 大容量的电容与负载 RL 并联。利用电容的充放电 达到平滑输出电压波形的目的。,交流 电压,脉动 直流电压,较平滑的直流电压,2、电容滤波电路,D,T,1）电容滤波电路原理,u2 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 。,u2 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

14、 。,(2) 流过二极管瞬时电流很大。,RLC 越大Uo越高 负载电流的平均值越大;二极管导通时间越短 二极管的瞬时电流越大,2）电容滤波电路特点,(1) 输出电压的脉动程度得到改善，脉动程度与放电时间常数RLC 有关，输出电压平均值Uo得到提高。,RLC 愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大,a,u1,u2,u1,b,RL,C,+,u1,DZ,整流,滤波,稳压,1）最简单的直流稳压电路,3、 稳压电路,引起负载电压不稳的原因？,分析：,1、 变化，2、 变化,1） 不变， 变大,2） 不变， 变大,2）集成稳压电路,随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，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，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。 这里主要介绍常用的W7800系列（输出正电压）和W7900系列（输出负电压）三端集成稳压器。,1端: 输入端 2端: 公共端 3端: 输出端,W7800系列稳压器外形,1端: 公共端 2端: 输入端 3端: 输出端,W7900系列稳压器外