半导体二极管与整流电路精.pdf

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1、 模拟电子技术 学习的基本方法:1 基本内容的处理原则：电子器件一管一掌握外特性 基本电-路-程重点 应用电一用一广泛了解 原则：三者结合，管为路用，以路为主。2.注意点:牢固学握三基（基本概念、基本电路、基本分析方 法）；逐步树立工程观点；重视实验。对于元IS件，重点放在特性、發数、技术指标和正确便 用方法，不要过分追究其内部机理.讨论器件的目的在于应 用.学会用工程观点分析问题.就是根据实际1*况，对器件 的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便 的分析方法获得具有实际意义的结果.对电路进行分析计算时，只要能満足技术指标，就不要 过分追究f*确的数值.器件是非线性的、特性有分散

2、性、RC的值有误差、工 程上允许一定的误差、采用合理估算的方法.,第1章半导体二极管与娄流电率孑丄空（;1.1半导体基础知识 1.2半导体二极管 1.3半导体二极管的应用 1.4二极管整流电路 1.5稳压二极管及其应用 1.6光敏二极管 1.7发光二极管 教学要求:1 理解PN结的单向导电性;2了解二极管、稳压管、工作原理和特性曲线,理解主要參数的意义；3分析含有二极管的电路；理解并掌握单相整流 电路和滤波电路的工作原理及參数的计算；4.了解稳压管稳压电路的工作原理.1.1半导体基础知识 1.1.1 本征半导体与播杂半导体 导体：自然弄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

3、的物质几乎不导电，称为绝錄体，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.如猪.硅.碑化稼和一些硫化物.fi 化物等。半导体的导电特性：_ 出谢区 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著増强（可做成温度敏感元件，如热救电阻）光敏性：当受到光照时.导电能力明显变化（可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二 极管.光敏三极管等）捨杂性：往纯净的半导体中播入某些杂质.导电能力 明显改变 （可做成各种不同用途的半导体器件，如二 管.三极管和晶闸管等）1本征半导体 共价键中的两个电子称为价电子现代电通过宪全晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 自由电子

4、价电子在获得一定能（溫度升高或受光照）后，即 可挣脱原子核的東缚，成为自 由电子（带负电），同时共价 键中留下一个空位，称为空穴（带正电）.这一现象称为本征激发。温度愈高，晶体中产 生的自由电子便愈多 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电 子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相 当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）-当半导体两站|加上外电压时，在半导体中将出现两部分 电流（1）自由电子作定向运动 T 电子电潦（2）价电子递补空穴 T 空穴电流 自由电子和空穴都称为栽流子 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不斷复合.在一 定週度下，栽流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载 流子便维持

5、一定的数目.（1）本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；（2）温度愈高，载流子的数目愈多半导体的导电性能也就 愈好.所以，週度对半导体器件性能影响很大.“本征半导体的导电机理 价电子 在 P 型半导体中空穴是多数載流子.自由电子是少数載流子 无论 N 型或半导体都是中性的，对外不显电性.1.1.2 PN 结 I.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.O O o o o 0 w 0 O O 0 O o o o o O 14 拶入三价元素 撐杂后空穴数目大 増加，空穴导电成为 这种半导体的主要导电

6、 方式，称为空穴半导体 或 P 型半导体.（2）P 型半寻体 得盂离 少子漂移运动 P 型半导体 内电N 型QQ空间电荷区,也称耗尽层。多子扩扩散运动使空 间电荷区变宽.三内电翩网半导体 空间电荷区越宽，内电场越 强，就使漂移运动越强.而漂移 运动使空间电荷区变p 型半澤琴运动 薄 空间*也 2 电荷区 Z seeeie:o o o 3Qee；9ee;e;_ 1 I _ ：PN 结；：卩型区 1 1 N 型区 注意：宓也区 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、N 区中的多子的 散运动。3、P 区和 N 区中少子数量有限，因此由它们形成的电 流很小.2.PZ结的单向导

7、电性 名词解释：PN 结正向偏,（加正向电压）P 区接电源高电位端、N 区接电源低电位端。PN 结反向偏 JI（加反向电压）P 区接电源高电位端.N 区接电源低电位端。（1）PN结正向偏置 变 空穴 +P 外电场 R 0乃須 ur 薄 亠亠 内电功HR刖羽，:多子的扩散加强能够 形成较大的扩散电流。d N 1 i 自由电子 :1 内电场 5 -+内电场被被加强，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。较大，正向电阻较小.PN 结处于导通状态（相当于开关接通）.2、PN 结加反向电压时，PN 结变宽，反向电潦 较小，反向电阻较大，PN 结处于止状态（相当于开

8、关斷开K PN 结加正向电压时，PN 结变窄.正向电流 变厚（2）PN结反向偏 空穴 N:ew:e内电场 1.二极管的结构示意图 阳极引红二氯化硅保护层 阳极引岂 丁阴极引经 p 型硅(a)点接触(c)平阴极引(金镭合金 阳极 I)阴极 底座 死区电压 硅管反向击穿 正而偏置 1.2半导体二极管 铝合金小球阳极引线 N 型硅 2.伏安特性 导通压降:SiW.6-0.7V 可控开关 反向I 反向反向击穿错管 U.2J.-U 反向 远远大于 4 一般为十几伏到几十伏 3.主要参数（1）最大整涼电流心M 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URR 二极管反向击穿时

9、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，甚至过热而廉 坏。手册上给出的最高反向工作电压亦 M-般是 賊的一半或三分之二 （3）反向峰值电流/加 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能差，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，猪管的反向电流要比硅管大 几十到几百倍.以上均是二极管的直流參数.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.选用 二极管时还II注意交流參数 KHUKM omm rD=A”（4）微变电阻 m 力是二极管特性曲线上 工作点 0附近电压的变化与

10、电 流的变化之比：显然，5 是对 0 附近的微小变化区域内的电阻.二极管的极间电容 和”描 tannaiRn 二极管的两极之间有两部分电容：势垒电容CR和扩散 电容CD 势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的 电容是势垒电容 扩散电容：为了形成正向电流（扩散 电流），注入 P 区的少子（电子）6 P 区有浓度差.越靠近/N 结浓度越+LJ 大，即在 P 区有电子的积累.同理，在区有空穴的积累。正向电流大，丿 积累的电荷多这样所产生的电令肚 KHUKM omm 是扩散电容 C D 28 30 ri mtiMWRH G在正向和反向偏

11、时均不能忽略。而反向偏时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。/w 结高频小信号时的等效电路 势垒电容和扩散电 容的综合效应 2、二极管的单向导电性 _ 厶 X 逊（1）二极管加正向电压（正向,阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态（相当于开关接通）.二极管正向电阻较小，正向电流较大.（2）二极加反向电压（反向備阳极接负、阴极接正）时.二极管处于反向徽止状态（相当于开关斷开）.二极管反向电 IB 较大，反向电潦很小.（3）当外加反向电压大于反向击穿电压时二极管被击穿，失去单向导电性.（4）二极的反向电流受温度的影响，週度愈高反向电流 愈 大 1.3 半导体二极管的简单应用 坐 例 1：

12、电路如图，求：CAB 二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、D 开关、元件保护、温度补偿等.丄 3kn|6V 丰 T 5 T 一 取 B 点作參考点.斷开二 极管，分析二极管阳极和阴极 的电位 1-B =-6 V VW=-12V vwvw Z 极管昌通 理想二极管可看作短路，rAB=-6V 否则，f 低于一 6V个管压降，为一 62 或一 6.7V 茯这里，二极管起钳位作用.例 2：已知：u=18sintz?/V 二极管是理想的，试画出叫波形.%8*二极管导通.可看作短路O=8V Wi*RWM hRM 1 2负半周时 电流通路 J 1.4.3单相桥式整流电路 正半周时 竜流通路 桥式整流电路

13、I 桥式整流电路 tt20 时*“产 0 时。宀导通 截止 曲流通路：A Z?)卩导通 截止 电流通路：B T D2-R.TDJTA 输出是脉动的直流电压！桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形 几种常见的硅整流桥外形 些也 1.4.3整乞（初）=0.9/092 1.整流输出电压平均值（“）全波整流时，负载电压乞的平均值为:2.负载平均电流（4）3.二极管平均电流 巴型i幺 在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导。因此，流过每只整流二极管的平均电流乙是负载 平均电流的一半。D=2,O=A5 4.二极管承受反向峰值电压 二极管截止时两端承受的最大反向电压:平均电流（）与反向峰值电压（f）是选择整

14、 流管的主要依据。1.4.5滤波电路 原理：利用储能元件电容两端的电压（或通过电感 中的电流）不能突变的特性滤掉整流电路输 出电压中的交流成份，保留其直流成份，达 到平滑输出电压波形的目的。“1.电容滤波原理 滤波电路的结构特点:电容与负载町.并联，或 电感与负载匕其电所示。桥式整流电容滤波电路 A 以单相桥式整流电容滤波为例进行分析,(1)未接入时(忽略整流电路内阻)近似估算：匕=122（桥念 2.电容滤波电路的特点 也 N 赵（I）输出电压匕与放电时间常数RfC有关。Ktc愈大 T 电容器放电愈慢 T 匕（平均值）愈大 一般取匚二&cn（3-5）占（八电源电压的周期）（2）流过二极管瞬时电

15、流很大。RtC越大 t 匕越高 t 负载电流的平均值越大；整流管导电时间越短 t 匚的峰值电流越大 故一般选管时，取=（23）=（2 心心仔卜跻阿5A 如:心.愈小（A越大）,S下降多。结论：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合。例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流审旗频皐*/=50Hz,负载电阻&=2000,要求直流输岀电压 ER0V,选择整流二极管及滤波电容器.变压器测边电压的有效值 U=:;=:;=25V 二极管承受的量高反向电压=v 2f=72x25=35 V 可选用二极管 2CP11/()M=100mA l/DRM=50V 解：（1）选择整流二极管 流

16、过二极管的电流.输出特性（外特性）和“抽闵 输出波 1.5稳压二极管及其应用 1.5.1稳压二极管 5 稳压管正常工作 时加反向电压 稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两 端电压变化很小，利用 此特性，稳压管衽电路 中可起稳压作用 反向曲穿电压 曲线越陡，电压越稳定。Zmax S9 稳压二极管的参数(1)稳定电压(2)电压温度系数如(/)稳压值受温度变化影响的的系数。(3)动态电阻 rL-笔 稳定电流/龙、最大、最小稳定电yJZmax hmin (5)最大允许功耗 U产（23）Uowvww own 选择稳压 U0=UB=6V I.=6 mA/=/z+1 =3+6=9 mA*q“=lx9=9V

17、 负载电阻心求输入电压分别为 10V、15V.20V 时的输出电压和流过二极管的电流 解：当稳压二极管处于反向击穿状态时能正常工作 4=q-%=206=14V q二二9*6=45V 可见，该电路中稳压管能正常工作的量小输入电压为 15V,此时输出电压 S=6V,流过稳压管的电流为 3mA 若 S=2UV,稳压管能正常工作，输出电压 t；=6V 流过稳压二极管的电涼为/-/=iR+5,=257?+10 联立方程 1、2,可解得：w(=1&75V,/?=0.5kQ 例 2 稳压管的技术参数:i 限流电阻./R 负載电限位=2kG。i限流方程 2 69 讨论：若想由一个 15V 的直流电源得到 6V

18、、9两组电压给电 路供电问应如何实现？输出电压额定电压值有:和3悴必 riw n 4.5 集成稳压器 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。主契介绍常用的 W7WM）系列、VV7MH）系列三端集成稳压 器。集成稳压器 分类：三端集成 稳压器 W78系列（输出正电压）W79系列（输岀负电压）5V.9V、12V、18V、24V等。负稳压 W 78XX w 79XX 1 I 型号后XX两位数字 代表输出电压值 69 /?7HXX 5 输出电流可调的电路

19、 1.6光敏二极管 也艺绘鮒 又称光敏二极管。它的管壳上有透明聚光窗，由于PN结的光敏特性，当有光照射时，光敏二极 管在一定反向偏压范围内，反向电流随光照强度 的增加而线性增加。当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通 二极管一样。/照度增加 定光1.暗电流 无光照时的反向饱和电流，一般小于 2.光电流几十蹇安。3.灵敏度 在给定波长的单位光功率时产生的光电流,般大于05 u A/R Wo W主要参数 4.峰值液长 具有最高响应灵敏度的波长，峰值波长 一般在可见光和红外线范围内。5.响应时间 在给定光照后，光电流达到稳定值的60%所需的时间，一般为KT?So 40 20 17发光二极管（LED）2 当二极管正向导通有 正向电流流过时，发出一定 波长范围的可见光.光的波 长不同，颜色也不同。目前 60 的发光管可以发出从红外到 可见波段的光，它的电特性 与一般二极管类似，正向导 通压降 1.3V2.4V。半导体二极管及应用要旷尬 1.二极管部分：从二极管的主要用途出发了解其单向导电的机理，在电子电路中它主要用作开关，以此为出发点，弄清为何 它能实现单向导电？为使二极管有良好的开关作用，应具 备何种工作条件？结合它的外特性去理解.2.稳压管部分：从稳压管的主要作用是稳压这点出发了解其性能特点，并结合其外特性了解稳压管应具备何种工作条件才能使其 稳压？80 第一章 结束