《电子电路课件》第5章.ppt

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1、第五章 半导体二极管及其应用电路 第五章第五章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 5.1 半导体基础知识半导体基础知识 5.2半导体二极管半导体二极管 5.3 单相整流滤波电路单相整流滤波电路5.4 稳压二极管及其稳压电路稳压二极管及其稳压电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 5.1 半导体基础知识半导体基础知识5.1.1 导体、绝缘体和半导体 5.1.2 本征半导体5.1.3 杂质半导体5.1.4 PN结的形成及特性第五章 半导体二极管及其应用电路 常温下，人们根据自然界中物质的导电性能的优劣将其分成三类：第一类是导电性能良好的物质，如铜、铁、铝等金属，称之为导体。第二类是

2、几乎不导电的物质，如橡胶、玻璃、陶瓷等，称之为绝缘体。第三类是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒等，称之为半导体。半导体的应用十分广泛，主要是制成有特殊功能的元器件，如晶体管、集成电路、整流器、激光器以及各种光电探测器件、微波器件等。5.1.1 导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体第五章 半导体二极管及其应用电路 硅原子结构模型简化模型 5.1.2 本征半导体本征半导体1.晶体的共价键结构锗原子结构模型第五章 半导体二极管及其应用电路 2.本征半导体中的载流子晶体的共价键结构 本征半导体中的自由电子和空穴第五章 半导体二极管及其应用电路 本征激发时电子与空穴的产生及移动 动画

3、演示 第五章 半导体二极管及其应用电路 5.1.3 杂质半导体杂质半导体 本征半导体中载流子的浓度与原子浓度相比仍很小，所以其导电性能还很差，不能用来制造半导体管。为了提高半导体的导电性能，就必须提高载流子的浓度，为此只要在本征半导体中掺入微量三价元素（如硼或铝）或五价元素（如磷或砷），就能产生大量的载流子。根据掺入杂质的性质不同，将杂质半导体分为电子型（或称N型）半导体和空穴型（或称P型）半导体两大类。第五章 半导体二极管及其应用电路 在本征半导体（硅）中掺入微量五价元素磷后，可形成N型半导体。磷原子顶替掉一个硅原子而与周围的四个硅原子以共价键结合起来，五个价电子中多余的一个价电子不在共价键

4、中，仅受磷原子核的引力作用，以至在室温条件下，就能挣脱磷原子核而成为自由电子，原来的中性磷原子成为不能移动的正离子，此过程称为电离。1.1.N 型半导体型半导体 五价元素给出多余的价电子，被称为施主杂质。施主杂质只产生自由电子而不产生空穴，这是与本征激发的区别。N型半导体中自由电子的浓度远大于空穴浓度，所以称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。第五章 半导体二极管及其应用电路 N型半导体 第五章 半导体二极管及其应用电路 在本征半导体（硅）中掺入微量三价元素铝后，可形成P型半导体。铝原子顶替掉一个硅原子而与周围的四个硅原子以共价键结合起来。三价元素只有三个价电子而在

5、共价键中留下一个空位，即空穴。当邻近的电子填补到该空位，则使铝原子成为不能移动的负离子。2.P型半导体 三价元素能够接收电子，被称为受主杂质。受主杂质只提供空穴不产生电子。P型半导体中空穴的浓度远大于自由电子浓度，所以称空穴为多数载流子（简称多子），自由电子为少数载流子（简称少子）。第五章 半导体二极管及其应用电路 P型半导体第五章 半导体二极管及其应用电路 5.1.4 5.1.4 PN结的形成及特性结的形成及特性 当多子扩散运动和少子漂移运动达到动态平衡时，在界面两侧形成的正负离子区称为空间电荷区，这就是PN结。1.PN 结的形成 动画演示第五章 半导体二极管及其应用电路 2.PN结的单向导

6、电性 正向偏置的PN结 反向偏置的PN结 PN结正向偏置时正向电流较大，反向偏置时反向电流很小，这就是结的单向导电性。第五章 半导体二极管及其应用电路 3.PN结的其它特性(1)温度特性(2)击穿特性 a.a.雪崩击穿 b.齐纳击穿(3)电阻特性(4)电容特性 a.a.扩散电容 b.b.势垒电容第五章 半导体二极管及其应用电路 4.PN结的高频等效电路及最高工作频率 PN结的高频等效电路 PN结既表现出非线性电阻的特性，又表现出非线性电容的特性，总效果相当于结电容CJ与结电阻r并联。为保证PN结的单向导电性不被破坏，所允许加在PN结上的交变电压的最高频率，称为PN结的最高工作频率。第五章 半导

7、体二极管及其应用电路 5.2 5.2 半导体二极管半导体二极管 5.2.1 半导体二极管的结构 5.2.2 半导体二极管的伏安特性及其参数5.2.3 半导体二极管的等效电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 5.2.1 5.2.1 半导体二极管的半导体二极管的PN结构结构 二极管是由一个结加上相应的电极引线和管壳做成的。二极管的类型很多,按制造二极管的材料分,有硅二极管和锗二极管。从管子的结构来分,分为点接触型、面接触型和平面型三种。第五章 半导体二极管及其应用电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 5.2.2 5.2.2 半导体二极管的伏安特性及其参数半导体二极管的伏安特性及其参数 描述二极

8、管的性能，一般用伏安特性。伏安特性是指二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系。锗二极管的伏安特性曲线 第五章 半导体二极管及其应用电路 硅二极管的伏安特性曲线 第五章 半导体二极管及其应用电路 比较硅管与锗管的特性曲线可知：共同点共同点:硅二极管与锗二极管都具有单向导电性。2.在反向区域，硅管反向电流比锗管小得多，通常硅管为几微安到几十微安，而锗管可达几百微安。不同点：不同点：1.在正向区域，锗管大约在0.20.4伏左右，电流就开始显著增长了；而硅管则在0.60.8伏左右，电流才开始显著增大。可是锗管电流上升的曲线不如硅管的陡，这说明硅管一经导通后电流便迅速增加。第五章 半导体二极管及其

9、应用电路 2.二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最大整流电流M 它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于FM,如超过M,二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热情况。外加反向电压时，二极管有反向电流通过。随后反向电压继续增加时，反向电流几乎不变，这个电流称反向饱和电流S。(2)反向特性与反向电流S第五章 半导体二极管及其应用电路(3)反向击穿特性与最大工作电压UM 当反向电压不断增大时，在电压接近某个数值时，反向电流急剧增加，这种现象称为击穿。发生击穿时的电压称为击穿电压，为保证二极管安全工作，手册上通常取击穿电压的一半作为二极管的最大工作电压UM 第五章

10、 半导体二极管及其应用电路 从伏安特性可以看出，二极管的U、关系不具备线性关系，因此，称它为非线性元件。它具有单向导电性。根据理论分析，二极管的伏安特性可用下面公式描述：S：反向饱和电流:为温度的电压当量，又称热电压，其中T为热力学温度。UT一般取为26mv。第五章 半导体二极管及其应用电路 5.2.35.2.3半导体二极管的等效电路半导体二极管的等效电路 1.理想二极管等效电路 伏安特性 等效电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 2.考虑正向压降的等效电路 伏安特性 等效电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 例例5.2.1 二极管门电路如图(a)所示，输入电压ui1(t)和ui2(t)如

11、图(b)和(c)所示，请分析电路中各二极管的工作状态，画出该电路的输出波形uo(t)，并指出电路所实现的功能。第五章 半导体二极管及其应用电路 5.3 5.3 单相整流滤波电路单相整流滤波电路 5.3.1 单相半波整流电路 5.3.2 单相桥式整流电路5.3.3 滤波电路 整流电路的任务是将双向变化的交流电压变换成单向脉动电压。完成这一任务主要是利用二极管的单向导电性这一特性，因此二极管是构成整流电路的关键元件。第五章 半导体二极管及其应用电路 5.3.1 5.3.1 单相半波整流电路单相半波整流电路1.单相半波整流电路的工作原理第五章 半导体二极管及其应用电路 当u2(t)为正半周时，极性为

12、上正下负，此时二极管正偏、导通，电流经过二极管流向负载；当u2(t)为负半周时，二极管反偏、截止，负载上的电压基本为零。可见，负载上的电压波形为半个周期，即为半波整流。第五章 半导体二极管及其应用电路 负载上的直流电流Io为 半波整流后，负载上脉动电压平均值只有变压器次级电压有效值的45%，电压利用率是比较低的，其根本原因是输出波形中纹波成分较大。2.负载上的直流电压Uo和直流电流Io的计算输出电压uo(t)在一个周期内的平均值为第五章 半导体二极管及其应用电路 3.整流二极管参数的计算 整流电路中的二极管应满足条件：最大整流电流IFM 应大于负载电流；二极管最大反向工作电压应大于u2(t)的

13、峰值电压 为了管子安全工作，在选择二极管时，应考虑1.52倍的裕量 第五章 半导体二极管及其应用电路 5.3.2 5.3.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路1.单向桥式整流电路的工作原理 第五章 半导体二极管及其应用电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 单相桥式整流电路的波形 第五章 半导体二极管及其应用电路 2.负载上的直流电压Uo和直流电流Io的计算 将桥式整流电路的输出电压波形与半波整流电路的输出电压波形相比较，显然整流电路的直流电压Uo比半波整流时增加了一倍负载电阻中直流电流同样增加了一倍，即 第五章 半导体二极管及其应用电路 3.整流元件参数的计算 因二极管D1、D3和D2、D4

14、是两两轮流导通的，故流过每个二极管的平均电流为Io的一半；二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压为u2(t)的峰值电压 与半波整流电路相比，桥式整流电路的优点是输出电压高、纹波成分少，同时电源变压器在正、负半周均给负载供电，故电源变压器利用率高。第五章 半导体二极管及其应用电路 将脉动直流电变成较为平稳直流电的过程称为滤波。实现滤波功能的电路，称为滤波电路。滤波电路可以降低整流输出电压中的纹波成分，一般用电抗元件（电容或电感）组成。滤波电路的形式很多，常见的有电容滤波电路和电感滤波电路。滤波电路接在整流电路和负载之间。下面我们将分别来分析电容滤波电路和电感滤波电路。5.3.3 5.3.3 滤

15、波电路滤波电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 1.电容滤波电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 波形图 第五章 半导体二极管及其应用电路 为了得到较好的滤波效果，电容滤波电路中的电容值应满足下式：式中T为电源交流电压的周期。电容滤波电路的优点是电路简单、负载直流电压较高、纹波较小。其主要缺点是输出特性较差且存在浪涌电流，故适用于负载电压较高、负载变动不大的场合。第五章 半导体二极管及其应用电路 2.电感滤波电路 为克服电容滤波电路存在的涌浪电流和带负载能力差的缺点，引入了电感滤波电路。用电感滤波电路时，电感L应和负载RL串联。下图为电感滤波电路原理图。第五章 半导体二极管及其应用电路 第

16、五章 半导体二极管及其应用电路 由于电感具有通直流阻交流的特性，故电流中的直流分量全部加在负载电阻上，而交流分量由电感和负载电阻分压。只要电感量取得足够，就能保证负载电阻RL上的交流分量很小，输出电压的波形平整、光滑。由于L愈大、RL愈小，则滤波效果愈好，所以电感滤波电路适用于负载电流比较大的场合。第五章 半导体二极管及其应用电路 由于电网电压的波动和负载电阻的不稳定，故整流滤波后的直流电压不能保证是稳定的。因此，在整流滤波后必须采用能实现稳定直流电压作用的电路，即直流稳压电路。将二极管反接并与限流电阻串联接入电路中可构成简单的直流稳压路。5.4 5.4 稳压二极管及其稳压电路稳压二极管及其稳

17、压电路5.4.1 稳压二极管5.4.2 稳压管稳压电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 伏安特性 符号 5.4.1 5.4.1 稳压二极管稳压二极管 第五章 半导体二极管及其应用电路 稳压二极管的主要参数有：(3)最小稳定电流IZmin：当工作电流IZ IZmax，将会烧坏稳压管。(5)耗散功率PM：保证稳压管不被烧坏所允许的最大管耗。(6)动态电阻rZ：用来表征稳压管稳压性能的好坏，定义为一般为几欧几十欧。(7)温度系数 ：表示温度每变化1，UZ的相对变化量。第五章 半导体二极管及其应用电路 5.4.2 5.4.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路 第五章 半导体二极管及其应用电路 1.稳压原

18、理（1）设负载电阻RL不变而电网电压波动（2）设电网电压不变而负载电阻RL不稳定2.限流电阻的确定限流电阻在稳压电路中的作用是使稳定电流IZ的值维持在IZmin和IZmax之间,确保稳压电路可靠工作。第五章 半导体二极管及其应用电路 设电网电压波动时，整流滤波输出电压UZ的最大值为UZmax，最小值为UZmin；负载电流的最大值为IZmax，最小值为IZmin。在上述条件下确定限流电阻的值：（1）当US最大、负载电流IL最小时，IZ的值最大。为了保证稳压效果，必须满足：第五章 半导体二极管及其应用电路（2）当US最小、负载电流IL最大时，IZ的值最小。为了保证稳压效果，必须满足：综上，限流电阻的取值应满足：第五章 半导体二极管及其应用电路 例5.5.1 用EWB分析图5.5.1所示的整流滤波电路。第五章 半导体二极管及其应用电路 当电容C断开和接入时，用EWB分析得到负载上的电压波形 C 断开时的输出波形 第五章 半导体二极管及其应用电路 C 接入时的输出波形