理学半导体二极管及基本电路.pptx

1 半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组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成某种形式的晶体点阵，这种半导体称为本征半导体。也就是导体。也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导完全纯净的、具有晶体结构的半导体。体。一一.本征半导体本征半导体(a)锗Ge 的原子结构 (b)硅Si 的原子结构第1页/共65页2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第2页/共65页3 1）自由电子和空穴的形成 在外界的影响下在外界的影响下（如热、光、电（如热、光、电场、磁场等），场、磁场等），使得其共价键中使得其共价键中的价电子获得一的价电子获得一定能量后，电子定能量后，电子受到激发脱离共受到激发脱离共价键，成为自由价键，成为自由电子（带负电），电子（带负电），共价键中留下一共价键中留下一个空位，称为个空位，称为“空穴空穴”。价电子空穴 自由电子第3页/共65页4 2 2）载流子的形成在外电场的作用下，价电子填补空穴，就好在外电场的作用下，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像空穴在运动。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。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：电子电流：自由电子作定向运动所形成的电；自由电子作定向运动所形成的电；空穴电流：空穴电流：被原子核束缚的价电子递补空穴被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的电流。所形成的电流。自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为载载流子流子第4页/共65页5二二.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量的杂质在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素），而形成的半某种元素），而形成的半导体。导体。杂质半导体N 型半导体P 型半导体第5页/共65页6在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素（如磷元素），如图所示，多余的第五个价电（如磷元素），如图所示，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子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。1.1.N 型半导体型半导体磷原子的结构硅晶体中掺磷出现自由电子第6页/共65页7N 型半导体示意图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 少数载流少数载流子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电方式的半导体，称为称为电子电子半导体半导体或或 N 型半导体型半导体（N type semiconductor)。第7页/共65页8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，称为空穴半导体或空穴半导体或 P型半导体型半导体 (P type semiconductor)。硅晶体掺硼出现空穴硼原子的结构2.P 型半导体型半导体第8页/共65页9掺杂浓度温度N 型、P 型半导体示意图N 型半导体 P 型半导体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第9页/共65页10 半导体中存在着两种载流子半导体中存在着两种载流子-自由电子和空自由电子和空穴。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。穴。因此，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。导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。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，半导体导电能例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力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用这一特性制造的。是利用这一特性制造的。半导体的特点：半导体的特点：第10页/共65页11三三.P N 结结多数载流子要从浓度大的 区域扩散到浓度小的区域，形成空间电荷区-PNPN结，产生电场，称为内电场 E Ed d ；内电场对多数载的扩散运动起阻挡作用，对少数载流子又起推动作用，这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。第11页/共65页12注意：注意：1）空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移动，移动，不参与导电不参与导电。因区域内的载流子极少，。因区域内的载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。所以空间电荷区的电阻率很高。2）内电场对多数载流子的内电场对多数载流子的扩散运动扩散运动起阻挡作用，起阻挡作用，所以所以空间电荷区空间电荷区-PN结结又称为又称为阻挡层阻挡层或或耗尽耗尽层层。1.PN1.PN结的形成随Ed扩散运动漂移运动达到动态平衡Ed 不变化形成稳定的PN 结第12页/共65页132.P N 2.P N 结的单向导电性结的单向导电性1）PN 结加正向电压结加正向电压内电场 EdPN 结变窄多子扩散运动少子漂移运动 PN 结导通（PN 结呈现 R )形成正向电流 I 第13页/共65页142）PN 结加反向电压结加反向电压第14页/共65页15PN 结变宽多子扩散运动少子漂移运动 PN 结截止（PN 结呈现反向R ）内电场 Ed形成反向电流 I P区接负极N区接正极加反向电压2）PN 结加反向电压结加反向电压结论结论：P N 结具有结具有单向导电单向导电性。性。加加正向正向电压，电压，PN结结导通导通，正向电流较大，结电，正向电流较大，结电阻很低。阻很低。加加反向反向电压，电压，PN 结结截止截止，反向电流很小，结电，反向电流很小，结电阻很高。阻很高。第15页/共65页163）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（U UBRBR）时，）时，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只要只要PNPN结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电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。击穿与反向截止两种状态都是可逆的。4 4）PNPN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结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的变化，说明的变化，说明PNPN结具电容效应。结具电容效应。PNPN结的结电容的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数值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考虑才考虑PNPN结的结电容作用。结的结电容作用。第16页/共65页175.2 5.2 半导体二极管半导体二极管一.点接触式和面接触式二极管的结构D 阴极阳极二极管符号第17页/共65页18二.伏安特性（VA特性)硅二极管的伏安特性二极管的伏安特性将二极管分为三种状态截止、导通和击穿。第18页/共65页19 硅二极管的伏安特性 锗二极管的伏安特性第19页/共65页201）正向特性：正向特性：OA段：当 UF UT （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，故正向电流 IF 很小(I F 0)，D处于截止状态。硅(Si)：U T 0.5V;锗(Ge):U T 0.1V。AB段：当 U F U T后，Ed扩散运动 I F D 导通。D导通时的正向压降，硅管约为(0.60.7)V，锗管约为(0.20.3)V。分析：第20页/共65页212）反向特性OC段：当 U R U BR（击穿电压）时，CD段：当 U R U BR 后，PN结被击穿，I R随 U D 失去单向导电性。扩散漂移Ed I R 很小D 截止。一般情况下，锗管反向电流I R硅管I R反向电流。第21页/共65页22综述：1）二极管的 VA 特性为非线性；2）当 时，且 U D U T，则 D 导通；3）当-U BR U D U T，有I R 0，则D 截 止；4）当 时，且 绝对值U R U BR，则反向击穿烧坏。第22页/共65页23三.主要参数 1）最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压 U R M 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。U R M=（击穿电压）/2 3）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的反向电流。I R M越小，单向导电性好。第23页/共65页24 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件，分析电路时常采用模型分析法。理想模型 恒压模型 5.3 二极管基本电路及分析方法第24页/共65页25 例 1.当输入电压为 ui，试绘出输出电压 uo 波形。设U c(0+)=0，tp RC，D为理想二极管。整流作用微分电路第25页/共65页26 例 2.开关电路如图所示，当输入端 UA =3V，UB =0 V,试求 输出端 Y 的电位 UY。解：UA =3V，UB =0V DA优先导通，DB 截止；则 UY=UAUD=30.7(0.3)=2.3(2.7)V例 2图UA UB U3 0 2.30 3 2.33 3 2.30 0 -0.71 0 10 1 11 1 10 0 0电路的逻辑关系为或逻辑二极管具有钳位作用第26页/共65页27 例 3.限幅（削波）作用电路如图所示，求 uo 及画出波形。解：1）当 ui E 时，D导通；uo=UD+E E 2)当 ui E 时,D截止，uo=ui第27页/共65页285.4 稳压二极管（DZ)稳压二极管的工作机理是利用PN结的击穿特性。一.VA特性、符号、状态DZDZ第28页/共65页29分析：1）稳压管的正向特性与二极管相同。2）稳压管的反向特性OA段：当 0U UZ（反向击穿电压，数值较小）时，I Z很小，稳压管截止；AB段：当 U UZ 时，稳压管反向击穿，I Z 很大，虽 I Z变化范围很大，但 DZ 稳压管两端的电压UZ 变化很小；体现了稳压特性。由此得知：1）稳压管的 VA 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，常工作于反向击穿状态。第29页/共65页30二.主要参数1).稳定电压 UZ DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是它的反向击穿电压。2).稳定电流 IZ DZ在稳定电压工作管子中的工作电流。3).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值。即（动态电阻愈小，稳压性能愈好。）第30页/共65页31 例 1.电路如图所示，设稳压管DZ1 和DZ2 的稳定电压分别为5V和10V,试求出输出电压U，判断稳压管所处的工作状态。已知稳压管正向电压为0.7V。解：当DZ1 和DZ2断开时，同时加有25V反向电压。由于DZ1DZ2小，DZ1先被击穿，UO5V，因而DZ1处于击穿状态，DZ2处于截止状态。第31页/共65页325.5 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、稳压电路的工作原理，掌握设计全波整流、电容滤波电路的方法。第32页/共65页33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变压：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。要的电压。2.2.整流电路：将交流电压变换为单向脉动的整流电路：将交流电压变换为单向脉动的直流电压。直流电压。3.3.滤波电路：减小整流电压的脉动程度，以滤波电路：减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。适合负载的需要。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。动时，使直流输出电压稳定。第33页/共65页34一、变压一、变压利用变压器利用变压器将交流电源电压变换为符合整流将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。需要的电压。变压器结构、符号和参数变压器结构、符号和参数i1i2U1变比K=U2额定容量SN=UN2IN2第34页/共65页35二、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 u20u2 0 D导通 uo=u2;D截止 uo=0;1.单相半波整流电路1）.电路组成第35页/共65页363）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(2)单相半波整流电流的平均值IO第36页/共65页37(3)二极管中的平均电流二极管中的平均电流ID(4)二极管承受的最大反向电压UDRM4）整流元件的选择 根据ID、UDRM 选择合适的整流元件D;第37页/共65页381）.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2.单相桥式整流电路单相桥式整流电路第38页/共65页392）工作过程）工作过程当u2 0(正半周)，D1、D3导通，D2、D4 截止。i2的通路是a D1 RL D3 b;当u2 0(负半周)，D2、D4 导通，D1、D3 截止。i2 的通路是b D2 RL D4 a;第39页/共65页40单相桥式整流电路波形图第40页/共65页413）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U UO O(2)单相桥式整流电流的平均值IO第41页/共65页42(3)二极管中的平均电流二极管中的平均电流ID(4)二极管承受的最大反向电压UDRM第42页/共65页434 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ID、UDRM 选择整流电路元件选择整流电路元件D1 D4;(2)根据负载根据负载RL的要求决定变压器副边的有效的要求决定变压器副边的有效值，值，UO=0.9 U2,IO=0.9 I2 U2=1.11 UO,I2=1.11 IO(3)根据根据U2、I2和电源电压和电源电压U1选择变压器。选择变压器。变比：变比：K=U1/U2 容量：容量：S=I2U2 第43页/共65页44例1:已知负载电阻已知负载电阻R RL L8080，负载电压，负载电压U Uo o110V110V。今采用单相桥式整流电路，。今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为交流电源电压为380V380V。(1)(1)如何选用二极管如何选用二极管?(2)?(2)求整流变压器的变比及容求整流变压器的变比及容量。量。解解:(:(1)1)二极管二极管:选择:IFM 0.69A，URM 172.8V。第44页/共65页45 (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 I2 =1.11 IO 1.53 A变压器的容量 S=I2U2=1.53122.21187 VA选择变压器 K=4 S187VA第45页/共65页46三、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）.电路组成电路组成第46页/共65页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 D1、D3导通，D2、D4 截止，iD=iC +iO,uC=uO，电容充电。第47页/共65页48b)当当 u2 uC，且，且/2 t 时时D1、D3、D2、D4截止，iD=0，iC=iO,uC=uO，电容向负载放电。第48页/共65页49(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 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，电容放电。(3)此后，电容周期性的充电、放电。第49页/共65页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，即愈大，即愈大，则愈大，则uO 愈平坦，脉动愈平坦，脉动愈小，愈小，UO 值愈高。因此，输出电压受负载变化的影响较大，电容滤值愈高。因此，输出电压受负载变化的影响较大，电容滤波电路的外特性较差。为得到较好的滤波效果，波电路的外特性较差。为得到较好的滤波效果，一一般取般取:第50页/共65页51(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)输出电流平均值：输出电流平均值：(4)整流管中的平均电流值：在U2=0的瞬间加C在U2最大瞬间加C第51页/共65页例例2:有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率电源频率 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，选择整流二极管及滤波电容器。择整流二极管及滤波电容器。解解:(1)选择整流二极管选择整流二极管ID=IO=30mA取:UO=1.2 U2 ，则:U2=UO/1.2=25V 故选用整流二极管为2CP11，其IF=100 mA,UDRM=50V。第52页/共65页53(2)选择选择 滤波电容器滤波电容器 据式据式 =RLC（35）T/2 取取 RLC=5T/2 且且 f =50 HZ T=1/f=0.02 s第53页/共65页542.2.电感低通滤波器电感低通滤波器1 1）.电路组成电路组成 电感低通滤波电路第54页/共65页552）.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，在负载上可得到低频分量；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；(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，输出端得到较为平坦的输出电压。滤去高次谐波，输出端得到较为平坦的输出电压。第55页/共65页56四、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第56页/共65页57 根据电路结构有：根据电路结构有：UO=UZ=UiIR*R (6.9)IR=IZ +IO (6.10)(1)RL 不变，Ui 波动的稳压过程：Ui U O 、UZ IZ IR UR UZ ，使UO 保持不变。2）.稳压工作过程稳压工作过程第57页/共65页58(2)Ui不变，负载不变，负载 RL变化的稳压过程：变化的稳压过程：RL U O 、UZ IZ IRUR UZ ，使U O 保持不变。实质是利用UZ 变化，引起IZ 较大的变化，经调节电阻R 的调整作用，达到保持输出电压基本不变。第58页/共65页59一般稳压电路包含以下四个基本环节一般稳压电路包含以下四个基本环节1)基准电压：提供稳定电压基准电压：提供稳定电压 UZ。2)采样电路：将输出电压一部分取出。采样电路：将输出电压一部分取出。3)比较放大电路：将采样电压与稳定电压比较后进行放大。比较放大电路：将采样电压与稳定电压比较后进行放大。4)调整管：将经过比较放大后的信号送入调整管，保证调整管：将经过比较放大后的信号送入调整管，保证UO 的稳定。的稳定。第59页/共65页602.集成稳压电源 单片集成稳压电源它具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。1).型号(1)W78系列:输出固定正电压，有5 V、8V、12V、15V、18V等；型号有：W7805、W7808、W7812、W7815、W7818等；第60页/共65页61(2)W79系列系列:输出固定负电压，有输出固定负电压，有5 V、8V、12V、15V、18V等；等；型号有：型号有：W7905、W7908、W7912、W7915、W7918等；等；2）.W78系列稳压电系列稳压电路路 这种稳压电路只有输入端这种稳压电路只有输入端1、输、输出湍出湍2 和公共端和公共端 3 三个引出端，故也称为三个引出端，故也称为三端集成稳压器。三端集成稳压器。第61页/共65页62W78系列集成稳压电源原理图 第62页/共65页633）.应用电路例1：下图为 输出正电压电路C1用于抵消因输入引线较长的电感效应，防止自激；C2用于减小输出脉动电压，改善负载的暂态效应。第63页/共65页64例例2：下图为：下图为 输出正、负电压电路输出正、负电压电路 集成稳压电源实际电路 输出正、负电压 第64页/共65页65感谢您的观看！第65页/共65页