工学第9章电工电子技术

下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出 第第9章章 半导体二极管与整流电路半导体二极管与整流电路下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性：半导体的导电特性：下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.1.1 本征半导体本征半导体共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出 Si Si Si Si价电子价电子这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴自由电子自由电子下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.1.2 N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.1.2 N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.2 PN结结9.2.1 PN结的形成结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结+形成空间电荷区形成空间电荷区下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.2.2 PN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（正向偏置）（正向偏置）PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出2.PN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出2.PN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强扩散强漂移运动增强漂移运动增强内电场增强内电场增强两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PNPN结导通结导通PNPN结截止结截止下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.3 半导体二极管半导体二极管9.3.1 基本结构基本结构下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型图图 1 12 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出二极管的伏安特性二极管的伏安特性 所谓二极管的伏安特性是指所谓二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然电压的函数关系。二极管既然是一个是一个PN结，它当然具有单结，它当然具有单向导电性，所以其伏安特性曲向导电性，所以其伏安特性曲线如图所示。线如图所示。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060(A)4020 由图中可见，二极管的由图中可见，二极管的伏安特性是非线性的，大伏安特性是非线性的，大致可分为四个区致可分为四个区死区、死区、正向导通区、反向截止区正向导通区、反向截止区和反向击穿区。和反向击穿区。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出死区死区 由图可见当外由图可见当外加正向电压很低时，加正向电压很低时，由于外电场还不能克由于外电场还不能克服服PN结内电场对多结内电场对多数载流子数载流子(除少量较除少量较大者外大者外)扩散运动的扩散运动的阻力，故正向电流很阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一小，几乎为零。这一区域称为死区。区域称为死区。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060(A)4020通常硅管的死区电压通常硅管的死区电压约为约为0.5V，锗管约为，锗管约为0.2V。死区死区下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出正向导通区正向导通区 当外加正向电压大当外加正向电压大于死区电压时，二极管于死区电压时，二极管由不导通变为导通，当由不导通变为导通，当电压再继续增加时，电电压再继续增加时，电流将急剧增加，而二极流将急剧增加，而二极管的电压却几乎不变，管的电压却几乎不变，此时二极管的电压称为此时二极管的电压称为正向导通压降。正向导通压降。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060(A)4020硅管正向导通压降为硅管正向导通压降为0.60.8V，锗管的正向导通压降为锗管的正向导通压降为0.20.3V。导通区导通区下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出反向截止区反向截止区 在二极管上加反在二极管上加反向电压时，由于少数向电压时，由于少数载流子的漂移运动形载流子的漂移运动形成很小的反向电流。成很小的反向电流。反向电流有两个特点，反向电流有两个特点，一是它随温度的上升一是它随温度的上升增长很快，一是在反增长很快，一是在反向电压不超过某一范向电压不超过某一范围，反向电流的大小围，反向电流的大小基本恒定，而与反向基本恒定，而与反向电压的高低无关电压的高低无关，故故通常称它为反向饱和通常称它为反向饱和电流。电流。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060(A)4020 这是因为，少数载流子数目这是因为，少数载流子数目有限，他们基本上都参与导电，有限，他们基本上都参与导电，所以，在反向电压不超过某一范所以，在反向电压不超过某一范围时，反向电流很小且基本恒定。围时，反向电流很小且基本恒定。此时，二极管呈高阻截止状态。此时，二极管呈高阻截止状态。反向反向截止区截止区下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出反向击穿区反向击穿区 当外加反向电压当外加反向电压过高时，反向电流将过高时，反向电流将突然增加，二极管失突然增加，二极管失去单向导电性，这种去单向导电性，这种现象称为击穿。二极现象称为击穿。二极管被击穿后，一般不管被击穿后，一般不能恢复原来的性能，能恢复原来的性能，便失效了。产生击穿便失效了。产生击穿时加在二极管上的反时加在二极管上的反向电压称为反向击穿向电压称为反向击穿电压（电压（UBR）。）。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060(A)4020反向反向击穿击穿区区下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出反向击穿反向击穿n发生击穿的原因，一种是处于强电场中的载发生击穿的原因，一种是处于强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格而将价电子流子获得足够大的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，新产生的载流碰撞出来，产生电子空穴对，新产生的载流子在电场作用下获得足够能量后又通过碰撞子在电场作用下获得足够能量后又通过碰撞产生电子空穴对。如此形成连锁反应，反向产生电子空穴对。如此形成连锁反应，反向电流越来越大，最后使得二极管反向击穿，电流越来越大，最后使得二极管反向击穿，另一种原因是强电场直接将共价键中的价电另一种原因是强电场直接将共价键中的价电于拉出来，产生电子空穴对，形成较大的反于拉出来，产生电子空穴对，形成较大的反向电流。向电流。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.3.2 伏安特性伏安特性反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.3.3 主要参数主要参数下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出二极管二极管的单向导电性的单向导电性 1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，）时，二极管二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，）时，二极管二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出 二极管电路分析举例二极管电路分析举例 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出例例1：D6V12V3k BAUAB+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出 例例2:图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电的电位位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。VY=+2.7V解：解：DA优先导通（压降优先导通（压降0.3V），），DA导通后，导通后，DB上加的是反向电上加的是反向电压，因而截止。压，因而截止。DA起钳位作用起钳位作用,DB起隔离作用。起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出例例3:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出V sin18itu t 下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.4.1 稳压二极管稳压二极管1.符号符号 UZIZIZM UZ IZ_+UIOn稳压管的伏安特性曲线的反向击稳压管的伏安特性曲线的反向击穿特性比普通二极管的要陡些。穿特性比普通二极管的要陡些。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出3.主要参数主要参数ZZ ZIUr下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出 稳压二极管是一种用特殊工艺制成的面稳压二极管是一种用特殊工艺制成的面接触型硅二极管，其特殊之处在于它工作在接触型硅二极管，其特殊之处在于它工作在特性曲线的反向击穿区，正常工作时处于反特性曲线的反向击穿区，正常工作时处于反向击穿状态，并通过制造工艺保证向击穿状态，并通过制造工艺保证PNPN结不会结不会被热击穿。所以，在切断电源后，管子能恢被热击穿。所以，在切断电源后，管子能恢复原来的状态。复原来的状态。在电路中与适当电阻配合，能起到稳定在电路中与适当电阻配合，能起到稳定电压的作用。故称其为稳压管。电压的作用。故称其为稳压管。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出稳压电路稳压电路R是限流电阻是限流电阻RL是负载电阻是负载电阻RZDLR0UiUIIZ下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出(1)稳压原理稳压原理 a.UI不稳定不稳定 UI UO UZ IZ I I R UO DZIZRLUOUIRIIO+_+_下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出b.RL改变改变 RL UO UZ I R IZ IUO DZIZRLUOUIRIIO+_+_下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出9.5 整流电路整流电路 将交流电压转变为脉动的直流电压。将交流电压转变为脉动的直流电压。半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。等。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出t uDO9.5.1 单相半波整流电路单相半波整流电路2.工作原理工作原理n3.工作波形工作波形 u 负半周，负半周，VaVb，二极，二极管管 1、3 导通，导通，2、4 截止截止。uouD t tuD1uD3 ut U2U2U2 下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出参数计算参数计算LLRURUI29.0ooo21DII 2DRM2UU)d(sin212ttU20.9UoU下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出 (1)输出直流电压高；输出直流电压高；(2)脉动较小；脉动较小；(3)二极管承受的最大反向电压较低；二极管承受的最大反向电压较低；(4)电源变压器得到充分利用。电源变压器得到充分利用。目前，半导体器件厂已将整流二极目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。性，使用起来非常方便。