极管及整流电路

1 第 6章 二极管及整流电路 1 半导体基础 .02 2 PN 结 .08 3 半导体二极管 .14 4 单相整流电路 .25 5 滤波电路 .30 6 稳压管及稳压电路 .33 2 第 6章 二极管及整流电路 1 半导体基础 一、半导体 导体 半导体 绝缘体 光敏特性 杂敏特性 热敏特性 正四面体结构中四个原子分别处在正四面体的四个顶 角上，任意顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为 该两个原子所共有，形成 共价键 。 3 第 6章 二极管及整流电路 3 0 正四面体结构图 4 4 4 4 4 4 4 4 4 共 价 健 价 电 子 晶体结构平面示意图 4 第 6章 二极管及整流电路 二、本征半导体 本征半导体就是指纯净的、未掺杂任何杂质并且没有晶 格缺陷的完整的半导体。 共价键结构中，原子最外层拥有八个电子并处于相对稳 定状态，但在一定条件下，外层电子可能受到激发成为 自由 电子 。并在其原来所在的晶格原子的外层轨道上留下一个空 位，叫做 空穴 。空穴和自由电子都可称为本征半导体中的 载 流子 ， 其定向移动形成半导体中的 电流 。 在热能、外电场或其他能量激发下，自由电子不断产生。 当自由电子移动到一个空穴附近，就会填补到这个空穴上， 该过程叫做 复合 。 5 第 6章 二极管及整流电路 三、杂质半导体 N型半导体 P型半导体 6 第 6章 二极管及整流电路 5 4 4 4 4 4 4 4 4 V 族 元 素 原 子 自 由 电 子 N型半导体 在本征半导体硅（或锗） 中掺入微量的 V族元素（例 如磷 P），在本征硅晶体结 构没有发生改变的前提下， 硅晶体中某些位置的硅原子 被磷原子取代。 具有多余电子的半导体 材料。 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 ”）。 7 第 6章 二极管及整流电路 P型半导体 在本征半导体硅（或锗） 中掺入微量的 III族元素（例 如硼 B），在本征硅晶体结 构没有发生改变的前提下， 硅晶体中某些位置的硅原子 被硼原子取代。 空穴为 多子 ，自由电子为 少子 。 3 4 4 4 4 4 4 4 4 I I I族 元 素 原 子 空 穴 注意： 无论 N型半导体还是 P型半导体都是电中性，对外不显电性。 8 第 6章 二极管及整流电路 2 PN 结 一、 PN结的形成 PN结 ：在同一片半导体基片上 P型半导体材料和 N型半导体 材料相结合的区域。 空 穴 负 离 子 正 离 子 自 由 电 子 P 区 N 区 P区与 N区中载流子的扩散运动 9 第 6章 二极管及整流电路 P 区 N 区 空 间 电 荷 区 内 电 场 DU 平衡状态下形成空间电荷区 扩散运动 扩散电流 浓度差异 空间电荷区 内电场 漂移运动 漂移电流 一个稳定的 PN结，其内 部的总电流 为零，并且 空间电荷区 的宽度相对 稳定 10 第 6章 二极管及整流电路 二、 PN结的特性 1、 PN结单相导电性 PN 结 P 区电位高于 N 区电位的情况称为 正向偏置 P 区 N 区 空 间 电 荷 区 内 电 场 UU D V R外 电 场 U DI 内电场减弱， 扩散大于漂 移，形成正 向电流 11 第 6章 二极管及整流电路 PN 结 N 区电位高于 P 区电位的情况称为 反相偏置 P 区 N 区 空 间 电 荷 区 内 电 场 UU D V R外 电 场 I DUU 内电场加强， 扩散停止， 少量漂移， 形成较小反 向电流 12 第 6章 二极管及整流电路 2、 PN结伏安特性 I D V B R o V D DTDS ( 1 )U /UI I e 反向击穿电压 反向漏电 流， A级 导通压降，硅 管 0.6-0.8V，锗 管 0.2-0.3V 死区 13 第 6章 二极管及整流电路 3、 PN结的反向击穿 热击穿 电击穿 雪崩击穿 齐纳击穿 反向电压超过 7V 反向电压低于 4V 4、 PN结的电容效应 结电容 Cj 扩散电容 Cd 势垒电容 Cb 反向偏置时起主导作用 正向偏置时起主导作用 14 第 6章 二极管及整流电路 3 半导体二极管 半导体二极管是由用外壳封装起来的 PN结 一、二极管的分类 阳 极 阴 极 按材料分类 硅半导体二极管 锗半导体二极管 按结构分类 点接触型 面接触型 平面型 15 第 6章 二极管及整流电路 二、半导体二极管的伏安特性 O U o n u 8 0 C 2 0 C i I S U B R UBR 反向击穿电压 IS 反向饱和电流 UON 开启电压 16 第 6章 二极管及整流电路 三、半导体二极管的主要参数 1、最大整流电流 IF 2、最大反向工作电压 UDRM 3、反向电流 IR 4、最高工作频率 fMAX 17 第 6章 二极管及整流电路 四、半导体二极管的等效电路 o i u 理想等效电路 正向导通 反向截至 管压降为零 反向电流为零 18 第 6章 二极管及整流电路 i u U O N o U O N 考虑管压降的二极管等效电路 正向导通 反向截至 管压降为 0.7V 反向电流为零 19 第 6章 二极管及整流电路 i u U O N o U O N r D 考虑管压降、二极管体电阻的二极管等效电路 正向导通 反向截至 管压降为 0.7V 反向电流为零 体电阻 rD=U/ V 20 第 6章 二极管及整流电路 U 1 U 2 D S R U o 例 试估算开关断开和闭合时输出电压的数值。其中 电压源 U1=6V， U2=12V 解： 理想情况下，开关断开时，二极 管因加正向电压而处于导通状态，故 输出电压 UO=U1=6V；开关闭合时， 二极管外加反向电压处于截止状态， 故输出电压 UO=U2=12V 。 实际情况下，二极管正向导通时时导 通电压 UD=0.7V。开关断开时，输出 电压 UO=U1-UD=5.3V ；开关闭合时， 输出电压 UO=U2=12V 。 21 第 6章 二极管及整流电路 五、半导体二极管的应用电路 1、削峰电路 u i R U D u o t t U 2 3 4 u i u o o o 正半周二极管导通，负半周 二极管截至 例 22 第 6章 二极管及整流电路 u i R U D u o 2 3 4 u i u o U t t o o 二极管与输出端并联 ,输入为 正半周且幅值大于开启电压 UON时，二极管导通，此时输 出电压 UO=UON=0.7V 例 23 第 6章 二极管及整流电路 串联整流电路 2、限幅电路 u i U D 1 R 1 u R 1 R 2 U D 2 u o 2 3 4 u i u R 1 u o U U t t t o o o UR1U时，二极管导通 UOU； UR1U时，二极管 导通 UOUR1。输出被限定 在 0U之间。 例 24 第 6章 二极管及整流电路 3、钳位电路 u i C R U D u o u i t t t u c u o o o o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 利用二极管导通和截至控 制电容的充放电，输出电 压的最大值被限定在零电 平上，起到电压钳位作用。 25 第 6章 二极管及整流电路 4 单相整流电路 变 压 器 电 路 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路 交 流 输 入 t u o t u o t u o t u o t u o 直 流 输 出 交流变直流 滤掉交流部分， 减小脉动系数 稳压，防止输出波动 26 第 6章 二极管及整流电路 一、单相半波整流电路 u 2 u i D u o R L u i u o o o t t 2 3 4 27 第 6章 二极管及整流电路 交流输入电压 tUu sin2 i 输出电压瞬时值 0 sin2 o tUu 2 0 t t 输出电压平均值 20 2o ( A V ) 45.0)d(s in22 1 UttUU 脉动系数 57.1 O (A V ) M1O U US 28 第 6章 二极管及整流电路 二、单相全波整流电路 u 2 u 1 u i D 1 D 2 R L u L u i i D 1 i D 2 u o i o 2 3 4 t t t t t o o o o o 具有中心抽头的变压器与二极管配合， 两个二极管分别在正负半周导通，并 且导通时流经负载的电流方向一致， 输入信号正负半周时负载都有输出电 压。 29 第 6章 二极管及整流电路 u i u 2 D 1 D 2 D 3 D 4 R L u L i L 单相桥式整流电路 使用的二极管比全波整流多 一倍，但每个二极管所承受 的反向电压比较小。 22o ( A V ) 9.0 22 UUU 输出电压平均值 脉动系数 67.0 O (A V ) M1O U US 30 第 6章 二极管及整流电路 5 滤波电路 一、电容滤波器 u i u 2 D 1 D 2 D 3 D 4 R L u L C a b t t o o u L u i 通过电容的充放电 过程滤掉交流部分 经滤波电路后，输出电 压的直流成分增加，而 且平均值也得到提高 31 第 6章 二极管及整流电路 二、电感滤波器 u i u 2 D 1 D 2 D 3 D 4 R L u L L u i u L t t o o 利用电感的储 能作用减小输 出电压的脉动 32 第 6章 二极管及整流电路 三、滤波器网络 u D C C R L u o R RC型滤波器 u D C L C R u o LC型滤波器 u D C C R B u o L 2 R C L 1 双 L型滤波器 33 第 6章 二极管及整流电路 6 稳压管及稳压电路 一、稳压二极管 稳压二极管是利用 PN结的反向击穿特性来实现稳压作用 的半导体元器件 阴 极阳 极 D Z i u o U Z u i I Z m a x 特性参数： 稳定电压 UZ 动态电阻 rZ 稳定电流 IZ 额定功耗 PZ 电压温度系数 34 第 6章 二极管及整流电路 二、稳压管稳压电路 u i u 2 D 1 D 2 D 3 D 4 R L u L C R D Z I R I L I D Z 1、输入电压不变，负载变化时 2、负载不变，输入电压发生变化时 输出电压基本 保持稳定 利用稳压管所起的电流调节作用，通过调节限流电阻上的电流 及电压变化，达到使输出电压基本保持稳定的目的。 35 第 6章 二极管及整流电路 三、直流稳压电路 1、串联稳压电路 U i R R L U Z D Z U B E T U o 晶体管在电路中起 电压调整作用，亦 称为调整管 在电路中引入深度电压负反馈达 到稳压电压的作用 36 第 6章 二极管及整流电路 2、集成稳压电路 W 7 8 0 0 U i C i 0 .1 1 F C o 1 F R L U o