极管的结构与功能

课题一 半导体器件 1.1 半导体器件的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管 1.1 半导体器件的基础知识 物质按导电性能可划分为： 导体 一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属元 素。 导电率为 105量 纲 级 。 导电能力强。 绝缘体 一般为高价元素，如：橡胶、云母、 塑料等。 导电率为 10-2210-14 量 纲 级 。 导电能力弱。 半导体 一般为四价元素，如：硅（ Si）锗（ Ge） 等。导电性能介于导体和绝缘体之间。且导电能力 随条件变化。 1.1.1半导体材料 半导体物质特性： 掺入杂质则导电率显著增加 掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 温度特性 热敏器件 光照不仅大为增加导电率还可产生电动势 光照特性 光敏器件、光电器件 完全纯净、结构完整的半导体晶体被称为本征半导体。 本征半导体在物理结构上呈单晶体形态。（见左下图） 1.1.2本征半导体 本征半导体： 常用的本征半导体： 硅（ Si），锗（ Ge） 本征半导体的晶体结构 Si +14 2 8 4 Ge +32 2 8 18 4 +4 常见本征半导体的原子结构简化模型 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 1.在 T=0K，且无外 部激发能量时： 本征半导体的导电特性 : 常见本征半导体晶体结构平面示意图 本征半导体内部没有 能够 自由移动 的 带电 粒子 ，即 载流子 ，此时本征半导体 呈绝缘特性。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 2.在有外部激发能量（如温度升高，光照）时： 挣脱原子核束缚的电子称为 自由电子 ，在本征激发下形 成带 负 电荷的载流子。 留下的空位称为 空穴 ，成为 带 正 电荷的载流子。 本征半导体的载流子在 外加 电场 的作用下可定 向移动形成 漂移电流 。 共价键内的电子 称为 束缚电子 杂质半导体 N（电子） 型半导体 (掺入的五价元素如 P、 Se等 ) 1.1.3杂质半导体 P（空穴） 型半导体 (掺入的三价元素如 B、 Al、 In等 ) 掺入杂质越多，导电性能越强 (1) 在 PN结外加上正向电压时： PN结 正偏 （ P(+), N(-)）时，具有较 大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结 导通 。 2. PN结的单向导电性 以上所讨论的 PN结处于平衡状态，称为平衡 PN结。如在 PN结两 端外加不同方向电压，就会破坏原平衡，呈现出单向导电性。 (2) 在 PN结外加上反向电压时： PN结 反偏 （ P(-), N (+)）时，仅有 很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结 截止 。 结论： PN结加 正向 电压，即 正偏 时，有较大的正向扩散电 流，此时 PN结电阻小，处于 导通 状态，此时的正向 电流随着 PN结两端的电压增大而增大； PN结加 反向 电压，即 反偏 时，只有很小的，不随 PN 结两端电压变化的反向饱和电流，此时 PN结电阻大， 处于 截止 状态。 即 PN结具有 单向导电性能 。 晶体二极管结构及电路符号： PN结正偏（ P接 +、 N接 -） ， D导通。 P N 正极 负极 晶体二极管的主要特性： 单方向导电特性 PN结反偏（ N接 +、 P接 -） ， D截止。 即 主要用途： 用于整流、开关、检波电路中。 二极管 将 PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。 小功率 二极管 大功率 二极管 稳压 二极管 发光 二极管 1. 极性判别 触丝 半导体片 2. 二极管的检测 红表笔 是 (表内电源 )正极， 黑表笔 是 (表内电源 )负极。 数字式万用表检测 在 挡进行测量 ， 当 PN 结完 好且正偏时 ， 显示值为 PN 结两端 的正向压降 (V)。 反偏时 ， 显示 。 钳位电路 四 ：二极管在电路中的应用 钳位电路的作用是将周期性变化的波形的顶 部或底部保持在某一确定的直流电平上。 利用二极管正向导通压降相对稳定，且数 值较小 (有时可近似为零 )的特点，来限制电 路中某点的电位。 检波电路 检波二极管的作用是把调制信号中的音频信 号或是图像信号取出来。工作频率高，多采 用点接触型结构，玻璃封装。 限幅电路 V2vi0 时 D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路 : A D1 RLD3B u20 时 D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路 : B D2 RLD4A 输出是脉动的直流电压！ 单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形 u2 D4 D2 D1 D3 RL uo A B + _ 整个周期的输出波形如下图所示： t uo u2 t t iO t uO t iO 、 t uO t iO 三、主要参数： 输出电压平均值： Uo=0.9u2 输出电流平均值 :Io= Uo/RL =0.9 u2 / RL 流过二极管的平均电流： Iv=IL/2 + + + + 4 1 2 3 2 + 4 3 V u u V V O 2 1 L V R - u2 t t uO 二、 三相桥式整流电路 2. 工作原理 在每一瞬间，根据优先导通原则。 共阴极组中阳极电位最高的二极管导通； 共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。 1. 电路 V 1 RL uL V6 V3 V5 V4 V2 iL W V U u + + N 三相变压器原绕组接成三 角形，副绕组接成星形 共阳极组 共阴极组 L1 L2 L3 T 在 t1 t2 期间 共阴极组中 U点电位最高， V1 导通； 共阳极组中 V点电位最低， V4 导通。 负载两端的电压为线电压 uUV。 V1 RL uL V6 V3 V5 V4 V2 iL W V U u + + N 负载电压 2. 工作原理 变压器副边电压 u 2 o u2U u2V u2W 2 t uL o tt1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 在 t2 t3 期间 共阴极组中 U点电位最高， V1 导通； 共阳极组中 W点电位最低， V6 导通。 负载两端的电压为线电压 uUW。 V1 RL uL V6 V3 V5 V4 V2 iL W V U u + + N 负载电压 2. 工作原理 变压器副边电压 u o u2U u2V u2W 2 t t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uo t o 在 t3 t4 期间 共阴极组中 V点电位最高， V3 导通； 共阳极组中 W点电位最低， V6 导通。 负载两端的电压为线电压 uVW。 V1 RL uL V6 V3 V5 V4 V2 iL W V U u + + N 负载电压 2. 工作原理 变压器副边电压 u 2 o u2U u2V u2W 2 t t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uL t o 在 t4 t5 期间 共阴极组中 V点电位最高， V3 导通； 共阳极组中 U点电位最低， V2 导通。 负载两端的电压为线电压 uVU。 V1 RL uL V6 V3 V5 V4 V2 iL W V U u + + N 负载电压 2. 工作原理 变压器副边电压 u2 o u2U u2V u2W 2 t t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uL t o t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 uL t o 2. 工作原理 结论： 在一个周期中，每个二极 管只有三分之一的时间导 通（导通角为 120 ）。 V1 RL uL V6 V3 V5 V4 V2 iL W V U u + + N 变压器副边电压 负载电压 负载两端的电压为线电压。 u2 o u2U u2V u2W 2 t T 3. 参数计算 (1) 整流电压平均值 UL : (2) 整流电流平均值 IL: L 2 L 34.2 R U R UI L L (3) 流过每管电流平均值 IF : LII 3 1 F (4) 每管承受的最高反向电压 URM : 2RM 45.2 UU UL2.34 U2 4.例题 例 4-4 一直流电源 ,采用三相桥式整流 ,负载电压和电流分 别为 60V和 450A,整流二极管的实际工作电流和最高反向工 作电压各为多少 ? 解 :根据公式可得整流二极管的工作电流为 : : AII L 1 5 034 5 031F 整流二极管承受的最高反向工作电压为 : VUU L 636005.105.1RM