半导体二极管与整流电路.pptx
1主要内容半导体及其导电机理 载流子及其分类 PN结及其单向导电性正偏与反偏二极管及其伏安特性二极管应用：整流、限幅、检波等特殊二极管：稳压二极管、光敏二极管、发光二极管 第1页/共40页21.1 1.1 半导体的基础知识导体conductorconductor ：容易导电的物体，金属一般都是导体。绝缘体nonconductornonconductor ：不容易导电的物体。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体semiconductorsemiconductor ：室温时电阻率约在10-5107 m之间。导电特性处于导体和绝缘体之间，并有负的电阻温度系数的物质，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。19111911年考尼白格和维斯首次使用年考尼白格和维斯首次使用 这一名词。这一名词。不同于其它物质，所以它具有不同的特点。例如：热敏性和光敏性：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。例如：热敏电阻、例如：热敏电阻、光敏电阻。光敏电阻。掺杂性：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。例如：纯例如：纯硅掺杂百万分之一硼，电阻率从大约硅掺杂百万分之一硼，电阻率从大约410410-3-3 m m 到到2102103 3 mm半导体的导电机理第2页/共40页3一、本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，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。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。纯度纯度，甚至达到以上。，甚至达到以上。1.1.1 1.1.1 本征半导体intrinsic intrinsic semiconductorsemiconductor硅和锗的晶体结构在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。第3页/共40页4共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子硅和锗的共价键结构形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。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（价电子），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。第4页/共40页5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以运动的带电粒子（即载流子carriercarrier），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于温度增加或受光照激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子free electronfree electron ，同时共价键上留下一个空位，称为空穴holehole。二、本征半导体的导电机理 1.载流子:自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第5页/共40页6+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。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。2.本征半导体的导电机理本征半导体中电流由两部分组成：1.电子电流：自由电子移动产生的电流。2.空穴电流：空穴移动（价电子递补空穴）产生的电流。本征半导体导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的重要外部因素，这是半导体的一大特点。第6页/共40页7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。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）。1.1.1 1.1.1 杂质半导体extrinsic extrinsic semiconductorsemiconductor 一、N 型半导体 N-type semiconductor：N指negative。在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。例如：例如：2727，纯硅约有自由电子或空，纯硅约有自由电子或空穴穴1.5101.5101010个个/cm/cm3 3，掺杂为，掺杂为N N 型半导体后自由电子数增加几十万倍，空穴数减少为型半导体后自由电子数增加几十万倍，空穴数减少为2.3102.3105 5个个/cm3/cm3二、P 型半导体 P-type semiconductor：P指positive。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子（价电子）来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。第7页/共40页8+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子一、N 型半导体 N-type semiconductor空穴空穴硼原子硼原子+4+4+3+4N 型半导体中的载流子是什么？1.1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。多数载流子（多子）：自由电子少数载流子（少子）：空穴P 型半导体中：多数载流子：空穴少数载流子：电子P 型半导体中的载流子是什么？二、P 型半导体 P-type semiconductor第8页/共40页9P 型半导体+N 型半导体杂质型半导体多数载流子和少数载流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数载流子。近似认为多子与杂质浓度相等。杂质型半导体整体是不带电的。三、杂质半导体的符号第9页/共40页10P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散运动使空间扩散运动使空间电荷区逐渐加宽。电荷区逐渐加宽。内电场越强，内电场越强，就使漂移运动就使漂移运动越强，而漂移越强，而漂移使空间电荷区使空间电荷区变薄。变薄。空间电荷区也称耗尽层。空间电荷区也称耗尽层。空间电荷区也称耗尽层。空间电荷区也称耗尽层。对扩散运动起阻挡作用对扩散运动起阻挡作用对扩散运动起阻挡作用对扩散运动起阻挡作用也称阻挡层也称阻挡层也称阻挡层也称阻挡层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 PN junction。1.1.2 1.1.2 PN PN 结及其单向导电性 PNPN 结的形成第10页/共40页11所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的宽度固定不变。漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E第11页/共40页12+空间电荷空间电荷区区N型区型区P型区型区注意:1.1.空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴.N区中的电子（都是多数载流子）向对方运动（扩散运动）。3.3.P 区中的电子和N区中的空穴（都是少数载流子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。第12页/共40页13正向偏置:PN 结加正向电压(P+,N-)，即:P 区加正、N 区加负电压。反向偏置:PN 结加反向电压(P-,N+)，即:P区加负、N 区加正电压。PNPN结的单向导电性unilateral conductivityunilateral conductivityPN结的单向导电性：正偏导通，反偏截止正偏导通，反偏截止正偏:正向偏置。导通导通:PN结正向电流(PN)大，正向电阻(PN)小。反偏:反向偏置。截止截止:PN结反向电流(NP)小，反向电阻(NP)大。内电场被削弱，加强多子扩散运动，形成较大的正向扩散电流。内电场内电场外电场外电场变薄变薄内电场内电场外电场外电场变厚变厚REPN+_+内电场被加强，加强少子漂移运动，形成较小的反向漂移电流。正偏反偏REPN_+PN结的光生伏打效应：受到光照后能产生电动势。可制造光电池。第13页/共40页14基本结构：PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：1.21.2 半导体二极管diodediode实际二极管电流小，适用于高频和小功率工作，常用作数字电路中的开关元件电流大，适用于低频和大功率工作，常用来整流第14页/共40页15死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压UBR伏安特性 volt-ampere characteristicvolt-ampere characteristic 理想伏安特性正向导通时：正向压降为零，正向电阻为零，正向电流？反向截止时：反向压降？反向电阻无穷大，反向电流为零。实际伏安特性导通压降:硅管0V,锗管0VUIUBR导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.2UIUBRUI结合伏安特性，如何理解“正偏导通，反偏截止”？正向特性 反向特性 伏安特性上，普通二极管工作范围是哪段曲线？第15页/共40页161.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.反向击穿电压UBR：二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是UBR的一半。隧道击穿（也叫齐纳击穿）击穿电压小于6V，有负的温度系数；雪崩击穿，击穿电压大于6V，有正的温度系数。主要参数3.反向电流 IR：指二极管加反向峰值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。反向饱和电流：本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。第16页/共40页17RLuiuouiuott二极管应用举例1：二极管半波整流整流电路整流电路是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式整流等。波、全波、桥式整流等。二极管：二极管：死区电压死区电压=0.5V=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V(0.7V(硅二极管硅二极管)。为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，理想二极管，理想二极管，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。即，死区电压即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。即，死区电压=0=0，正向压降，正向压降=0=0 1.3 1.3 半导体二极管的简单应用(Page7)整流、限幅、钳位、检波、保护电路、开关元件 二极管整流电路rectifier circuit第17页/共40页18电源变压器电源变压器:将交流电网电压将交流电网电压u1变为合适的交流电压变为合适的交流电压u2。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路整流电路整流电路:将交流电压将交流电压u2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压u3。滤波电路滤波电路:将脉动直流电压将脉动直流电压u3转转变为平滑的直流电压变为平滑的直流电压u4。稳稳压电路压电路:清除电网波动及负载变化的影响清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压保持输出电压u0的稳定。的稳定。直流稳压电源的组成和功能R RL L第18页/共40页19u20时，二极管导通时，二极管导通。u0=u2，i0=u0/RLu2uo单相半波整流电路的工作原理单相半波整流电路的工作原理u20 0 时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:由+经D1RLD3-u u2 20 ucu2uc，D1D3D1D3导通，导通，电容充电，电容充电，u0=u2u0=u2；mnmn段段，u2u2正弦规正弦规律下降，律下降，ucuc也下降，过了也下降，过了n n点后，点后，u2ucu2uc，D1D3D1D3截止，电容通过截止，电容通过RLRL放电，放电，u0=ucu0=uc；n1n1段段，D1D3D1D3截止，电容通过截止，电容通过RLRL放电，放电，u0=ucu0=uc；1k1k段段，进入负半周，进入负半周，D1D3D1D3截止；截止；-u2uc-u2uc-u2uc，D2D4D2D4导通，电容充导通，电容充电，电，u0=-u2u0=-u2；往后重复以上过程往后重复以上过程mn012km第25页/共40页26一般取一般取(T:电源电压的周期电源电压的周期)近似估算近似估算:U02。(2)流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大RLC越大越大U0越高越高,负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大整流整流管导电时间越短管导电时间越短iD的峰值电流越大的峰值电流越大故一般选管时，取故一般选管时，取电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点(1)输出电压输出电压U0与时间常数与时间常数RLC有关有关RLC愈大愈大电容器放电愈慢电容器放电愈慢U0(平均值平均值)愈大，愈大，第26页/共40页27输出波形随负载电阻输出波形随负载电阻RL或或C的变化而改变的变化而改变,U0和和S也随之改变。也随之改变。如如:RL愈小愈小(I0越大越大),U0下降多下降多,S增大。增大。电容滤波电路适用于输出电压较高电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电负载电流较小且负载变动不大的场合。流较小且负载变动不大的场合。(3)、输出特性、输出特性(外特性外特性):uL电容电容滤波滤波纯电阻负载纯电阻负载1.4U20.9U20IL结论结论第27页/共40页28（1）滤波原理）滤波原理:对直流分量对直流分量(f=0):XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上。对谐波分量上。对谐波分量:f 越高越高,XL越大越大,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。因此因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。U02 当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLu06.有电感滤波的整流电路有电感滤波的整流电路第28页/共40页29（2）电感滤波的特点）电感滤波的特点:整流管导电角较大整流管导电角较大,峰值电流很小峰值电流很小,输出特性比输出特性比较平坦较平坦,适用于低电压大电流适用于低电压大电流(RL较小较小)的场合。缺的场合。缺点是电感铁芯笨重点是电感铁芯笨重,体积大体积大,易引起电磁干扰。易引起电磁干扰。u2u1RLLu0第29页/共40页30为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法,如如在电容滤波后再接一级在电容滤波后再接一级RC滤波电路，或在电感滤波滤波电路，或在电感滤波后面再接一电容。从而构成后面再接一电容。从而构成RC-型或型或L-C型滤波电型滤波电路，其性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波路，其性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似相似。u0Ru2u1C1C2u0RL7.RC-滤波滤波第30页/共40页31UIIZIZmax UZ IZ曲线越陡，稳压性能越好。曲线越陡，稳压性能越好。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。1.5 1.5 稳压二极管zener diodezener diode工作于反向击穿区，起稳定电压的作用工作于反向击穿区，起稳定电压的作用伏安特性上，稳压二极管工作范围是哪段曲线？利用稳压二极管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？第31页/共40页32（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻工作于反向击穿区，起稳定电压的作用。稳压值有一定的分散性工作于反向击穿区，起稳定电压的作用。稳压值有一定的分散性第32页/共40页33稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。方程1负载电阻RL=2k。要求当输入电压由正常值发生 20%波动时，负载电压基本不变。令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 方程2联立方程1、2，可解得：第33页/共40页34反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加照度增加1.6 1.6 光敏二极管 1.7 1.7 发光二极管 photosensitive diodephotosensitive diode LED:liLED:light-emitting ght-emitting diodediode有正向电流流过时，发出一定波长范有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。类似。开关二极管、光电二极管可用于光的测量，可当光电二极管可用于光的测量，可当做一种能源做一种能源(光电池光电池)。半导体照明：半导体中载流子发生复合时放出过剩的能量而引起光子发射。节节能能80%80%；寿命长寿命长1010倍倍 ，6 6万到万到1010万小时万小时 ；256256256 256256256 种颜色种颜色；环保，环保，光谱光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收收 ；数字信息化产品数字信息化产品，在线编程，无限升级，灵活多变的特点，在线编程，无限升级，灵活多变的特点 。预计2010年中国整个LED产业的产值将超过1500亿元。LED电视第34页/共40页355 5 直流稳压电源u1u2u1abD4D2D1D3u0CRLiZDZ直流稳压电源的作用：输出稳定的直流电压。稳压管稳压电路集成稳压电源单片集成稳压电源，具有体积小单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高可靠性高,使用灵活使用灵活,价格低廉等优点。最简单的价格低廉等优点。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。本节主要介绍故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的常用的W7800系列系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，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保护形如下图，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保护环节。环节。第35页/共40页36三端集成稳压电源分类分类:型号后型号后XX两位数字两位数字代表输出电压值。代表输出电压值。输出电压额定电压值有输出电压额定电压值有:5V:5V、9V9V、12V 12V、18V18V、24V24V等等 。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX1端端:输入端输入端2端端:公共端公共端3端端:输出端输出端W78XX外形外形1231端端:公共端公共端2端端:输入端输入端3端端:输出端输出端W79XX外形外形123第36页/共40页37例子：输出为固定例子：输出为固定+5V电压电压UOCOW7805 CIUI+_1320.11 F1F+_一 输出为固定电压的电路 二 输出正负电压的电路UOW7805CIUI+_UO132+_CIW790513COCO2例子：输出为例子：输出为5V电压电压u1u2u1abD4D2D1D3u0CRLUOCOW78XX CIUI+_1320.11 F1F+_第37页/共40页38作业 P25第38页/共40页39电子技术电子技术第1章 结束模拟电路部分模拟电路部分第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页
