唐介电工学第08章

单击此处编辑母版标题样式,(1-,*,),第,八,章,半导体器件,重点：,1,、理解,PN,结的单向导电性；,2,、了解二极管和稳压管的基本构造、主要参数,理解二极管和稳压管的工作原理、特性曲线；,3,、学会分析含有二极管的电路；,4,、学会分析单相整流、滤波、稳压电路，会计算指标，选择元件。,1,8.1,半导体知识,一,.,导体、半导体和绝缘体,导体：,容易导电的物质，金属一般都是导体。,绝缘体：,不导电的物质，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：,导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。称热敏特性和光敏特性。,往纯净的半导体中掺入某些杂质,(,其它化学元素,),，会使它的导电能力明显改变。,2,二,.,本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，如锗、硅等,1.,形成共价键结构，导电能力较弱；,+4,+4,+4,+4,硅原子,2.,光照或受热激发价电子成为自由电子，导电能力增强。,自由电子,空穴,自由电子带负电，,空穴带正电，都是可以移动的粒子。,3,三,.,杂质半导体,1,、,N,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷,(,或锑,),。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,整块,N,型半导体示意图,:,+4,+4,+5,+4,多余电子,自由电子,磷原子,硅原子,N,型半导体特点,:,自由电子很多,空穴很少。,4,2,、,P,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼,(,或铟,),。,整块,P,型半导体示意图,:,P,型半导体特点,:,自由电子很少,空穴很多。,+4,+4,+3,+4,硼,原子,空穴,硅原子,5,综述与问题,N,型半导体特点,:,自由电子很多,空穴很少；,整块,N,型半导体示意图,:,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,P,型半导体特点,:,自由电子很少,空穴很多；,整块,N,型半导体示意图,:,若将上述二者结合在一起，会如何？,6,四、,PN,结,1,、,PN,结的形成,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,空间电荷区稳定后形成,PN,结,内电场,7,2,、,PN,结的单向导电性,(1),PN,结正向偏置,(,加正向电压,),P,区加正,N,区加负电压,PN,结变薄,内电场,外电场,+,_,R,E,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,I,当内外电场相互抵消时,PN,相当于短接,:,正向电流,I,E,/,R,8,2,、,PN,结反向偏置,(,加反向电压,),P,区加负、,N,区加正电压。,内电场,外电场,PN,结变厚,I,0,内外电场相互加强,PN,相当于断开,:,反向电流,I,0,-,+,R,E,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,9,8.2,半导体二极管,一、基本结构,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,二极管结构,两层半导体，一个,PN,结。,D,二、图形符号,P,区,阳极,N,区,阴极,10,三、伏安特性,死区电压,:,硅管,0.5V,锗管0,.2V,。,导通压降,:,硅管,0.7V,锗管,0.3V,。,反向击穿电压,U,BR,反向饱和电流,0,u,i,+u,-,E,i,V,R,mA,+u,-,E,i,V,R,mA,击穿使二极管永久损坏,理想二极管：,死区电压,=0,；导通正向压降,=0,；反向饱和电流,=0,；反向击穿电压,=,。,11,原理总结,：,当二极管上加正向电压时：,(,即,PN,结正向偏置,),E,0.5V(,硅管,),、,0.2V(,锗管,),时：,I,0,，,处在死区。,二极管尚未导通。,E,0.7V(,硅管,),、,0.3V(,锗管,),时：,二极管电阻：,R,D,0,二极管电压稳定在,U,D,=,0.7V(,硅管,)0.3V(,锗管,),二极管相当于短接,称为导通,图中电流：,E,R,D,I,R,D,U,D,12,当二极管上加反向电压时：,(,即,PN,结反向偏置,),PN,结或二极管具有,单向导电性,E,击穿电压时：,二极管电阻：,R,D,图中电流：,I,0,二极管电压：,U,D,E,二极管相当于断开，称为截止。,E,击穿电压时：,R,D,0,，,U,D,0,二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。,E,R,D,R,D,U,D,I,13,电路如图，求：,U,AB,V,阳,=,6 V,，,V,阴,=,12 V,，,V,阳,V,阴,二极管导通。,若二极管是理想的：,U,AB,6V,若二极管为硅,(,锗,),管，管压降为,0.7V(0.3V),：,U,AB,6.7V(,6.3,),在这里，二极管起钳位作用。,解：,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,例,1,14,解：,两个二极管的阴极接在一起,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V,1,阳,=,6 V,，,V,2,阳,=0 V,V,1,阴,=,V,2,阴,=,12 V,V,D1,=6V,，,V,D2,=12V,V,D2,V,D1,D,2,优先导通，,D,1,截止。,由于二极管是理想,:,V,AB,=0 V,D,1,承受反向电压为,6 V,在这里，,D,2,起钳位作用，,D,1,起隔离作用。,已知二极管是理想的,求,:,V,AB,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,V,AB,+,例,2,15,已知：,u,i,18sin,t,V,二极管是理想的，试画出,u,o,波形。,8V,二极管的用途：,整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,u,i,18V,参考点,二极管阴极电位为,8 V,。,u,i,8V,二极管导通,可看作短路,:,u,o,=8V,u,i,8V,二极管截止,可看作开路,:,u,o,=,u,i,D,8V,R,u,o,u,i,+,+,例,3,16,四、,二极管的主要参数,1.,最大整流电流,I,F,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.,反向工作峰值电压,V,BR,是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二极管反向击穿电压,V,BR,的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.,反向峰值电流,I,RM,指二极管加最高反向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差，,I,RM,受温度的影响，温度越高,I,RM,越大。硅管的反向电流较小,(,nA,级,),，,锗管的反向电流较大,(,A,级,),，为硅管的几十到几百倍。,17,8.3,直流稳压电源的组成,直流稳压电源,将交流电,压,变换为直流电,压,的电路,整 流 电 路,滤 波 电 路,稳 压 电 路,u,1,R,L,整 流 电 路,滤 波 电 路,稳 压 电 路,变压器,:,将交流电网电压,u,1,变为合适的交流电压,u,2,。,整流电路,:,将交流电压,u,2,变为脉动电压,u,3,。,滤波电路,:,将脉动电压,u,3,转,变为接近直流的电压,u,4,。,稳,压电路,:,清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压,u,o,的,稳定。,u,2,u,3,u,4,u,o,18,2.,工作原理及波形,u,o,i,o,u,2,i,2,t,t,t,u,D,i,D,当,u,2,在正半波时：,a,b,，,D,正向导通，相当于短接,当,u,2,在负半波时：,a,b,，,D,反向截止，相当于断开,u,1,T,b,D,R,L,a,u,2,u,o,i,D,i,o,i,2,u,D,8.4,整流电路,一,.,半波整流电路,1.,电路,19,3.,指标计算,输出电压平均值,U,o,：,输出电流平均值,I,o,：,u,o,i,o,u,2,i,2,t,t,t,u,D,i,D,20,二极管上承受的最高反向电压,U,RM,：,二极管上流过的正向平均电流,I,D,：,I,D,=,I,o,输出电流平均值,I,o,：,输出电压平均值,U,o,：,流过变压器的电流有效值,I,2,:,(,用均方根式求,),U,o,0.45,U,2,I,2,1.57,I,o,21,二,.,单相桥式整流电路,1.,电路,2.,工作原理及波形,u,1,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,o,i,o,u,2,i,2,u,D,13,i,D,13,t,t,t,t,u,D,24,i,D,24,u,2,正半波,:,u,2,负半波,:,D,1,D,3,导通,D,2,D,4,截止,D,2,D,4,导通,D,1,D,3,截止,u,2,+,u,o,_,i,o,i,2,i,D2,u,D2,R,L,u,2,+,u,o,_,i,o,i,2,+,-,R,L,u,2,+,u,o,_,i,o,i,2,-,+,22,3.,指标计算,二极管上承受的最高反向电压,U,RM,：,二极管上流过的正向平均电流,I,D,：,输出电流平均值,I,o,：,输出电压平均值,U,o,：,流过变压器的电流有效值,I,2,:,(,用均方根式求,),U,o,0.9,U,2,I,2,1.11,I,o,23,a,u,2,u,1,b,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,o,i,o,8.4,滤波电路,一,.,电容,滤波电路,1.,桥式整流,+,电容滤波电路,(1),电路组成,C,+,(2),工作原理及波形,u,2,t,t,u,o,(,桥式,+C,),(3),指标计算,有,R,L,时输出电压平均值,U,o,：,条件：,(,T,:,电源周期,),空载即,R,L,=,时,U,o,：,U,o,1.4,U,2,U,o,1.2,U,2,输出电流平均值,I,o,：,I,o,=,U,o,/,R,L,24,二极管上的平均电流,I,D,：,流过变压器的电流有效值,I,2,:,二极管上承受的最高反向电压,U,RM,：,电容容量的选择,：,电容上承受的最高电压,U,CM,：,I,2,1.11,I,o,25,2.,半波整流,+,电容滤波电路,(1),电路组成,u,1,u,2,b,D,R,L,u,o,i,o,a,C,+,(2),工作原理及波形,u,2,t,u,o,(,半波,+C,),t,(3),指标计算,有,R,L,时输出电压平均值,U,o,：,条件：,(,T,:,电源周期,),空载即,R,L,=,时,U,o,：,U,o,1.4,U,2,U,o,U,2,输出电流平均值,I,o,：,I,o,=,U,o,/,R,L,26,C,滤波,优点：电路体积小，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。,C,滤波,缺点：带负载能力差，对二极管有电流冲击。,二极管上的平均电流,I,D,：,流过变压器的电流有效值,I,2,:,二极管上承受的最高反向电压,U,RM,：,电容上承受的最高电压,U,CM,：,电容容量的选择,：,I,D,I,o,I,2,1.57,I,o,27,二,.,电感滤波电路,1.,桥式整流,+,电感滤波电路,u,2,u,1,R,L,L,+,u,o,-,i,o,2.,工作原理及波形,i,o,t,3.,指标计算,U,o,0.9,U,2,优点：带负载能力强，适用于负载电流较大且负载变动很大的场合。,缺点：输出电压较低，体积大。,28,u,2,u,1,L,u,o,C,2,R,L,u,o,1,C,1,优点：,脉动比,L,、,C,滤波时更小,，,波形更加平滑,；,输出 电压高,。,缺点：,体积大，对二极管有电流冲击,。,三,.,复式滤波电路,1.,型,CLC,滤波电路,R,愈大，,C2,愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好,29,u,o,R,u,2,u,1,C,1,C,2,u,o,1,R,L,2.,型,CRC,滤波电路,优点：,体积小，,输出电压较高,、,脉动,较,小,。,缺点：,带负载能力