第1章-半导体二极管与整流电路课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第,1,章,半导体二极管,与整流电路,1 第1章,2,主要内容,半导体及其导电机理载流子及其分类,PN,结及其单向导电性,正偏与反偏,二极管及其伏安特性,二极管应用：,整流,、限幅、检波等,特殊二极管：,稳压二极管,、光敏二极管、发光二极管,2主要内容半导体及其导电机理载流子及其分类,3,1.1,半导体的基础知识,导体,conductor,：,容易导电的物体，金属一般都是导体。,绝缘体,nonconductor,：,不容易导电的物体,。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体,semiconductor,：,室温时电阻率约在,10,-5,10,7,m,之间。,导电特性处于导体和绝缘体之间，并,有负的电阻温度系数的物质,，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,1911,年考尼白格和维斯首次使用 这一名词。,不同于其它物质，所以它具有不同的特点。例如：,热敏性和光敏性：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,例如：热敏电阻、光敏电阻。,掺杂性：,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,例如：纯硅掺杂百万分之一硼，电阻率从大约,410,-3,m,到,210,3,m,半导体的导电机理,31.1 半导体的基础知识导体conductor ：容易导电,4,一、本征半导体的结构特点,Ge,Si,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,本征半导体：,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成,晶体,。,纯度,99.9999,，甚至达到,99.9999999,以上。,1.1.1,本征半导体,intrinsic semiconductor,硅和锗的晶体结构,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子。,4一、本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的半,5,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4,表示除去价电子后的原子,硅和锗的共价键结构,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为,束缚电子（价电子）,，常温下束缚电子很难脱离共价键成为,自由电子,，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,5共价键共+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子硅和锗的,6,在绝对,0,度,（,T,=0K,）,和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即,载流子,carrier,），它的导电能力为,0,，相当于绝缘体。,在常温下，由于温度增加或受光照激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为,自由电子,free electron,，同时共价键上留下一个空位，称为,空穴,hole,。,二、本征半导体的导电机理,1.,载流子,:,自由电子和空穴,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,6在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键,7,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下，空穴吸引附近的价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即,自由电子,和,空穴,。,2.,本征半导体的导电机理,本征半导体中电流由两部分组成：,1.,电子电流,：自由电子移动产生的电流。,2.,空穴电流,：空穴移动（价电子递补空穴）产生的电流。,本征半导体导电能力取决于载流子的浓度。,温度,越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的重要外部因素，这是半导体的一大特点。,7+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的价电子来填,8,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P,型半导体：,空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N,型半导体：,自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,1.1.1,杂质半导体,extrinsic,semiconductor,一、,N,型半导体,N-type semiconductor,：,N,指,negative,。,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。,例如：,27,，纯硅约有自由电子或空穴,1.510,10,个,/cm,3,，掺杂为,N,型半导体后自由电子数增加几十万倍，空穴数减少为,2.310,5,个,/cm3,二、,P,型半导体,P-type semiconductor,：,P,指,positive,。,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子（价电子）来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。,8在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发,9,+4,+4,+5,+4,多余,电子,磷原子,一、,N,型半导体,N-type semiconductor,空穴,硼原子,+4,+4,+3,+4,N,型半导体中的载流子是什么？,1.,由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。,2.,本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。,多数载流子,（,多子,）：自由电子,少数载流子,（,少子,）：空穴,P,型半导体中：,多数载流子：,空穴,少数载流子：,电子,P,型半导体中的载流子是什么？,二、,P,型半导体,P-type semiconductor,9+4+4+5+4多余磷原子一、N 型半导体 N-type,10,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,杂质,型半导体,多数载流子,和,少数载流子,的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是,多数载流子,。近似认为多子与杂质浓度相等。,杂质型半导体整体是不带电的。,三、杂质半导体的符号,10P 型半,11,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,扩散运动使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区也称耗尽层。,对扩散运动起阻挡作用,也称阻挡层,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,PN junction,。,1.1.2,PN,结及其单向导电性,PN,结的形成,11P型半导体,12,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到,动态平衡,，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的宽度固定不变。,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,12所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两,13,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,N,型区,P,型区,注意,:,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,中的空穴,.,N,区,中的电子（,都是,多数载流子,）向对方运动（,扩散运动,）。,3.,P,区中的电子和,N,区中的空穴（,都是,少数载流子,），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,13+,14,正向偏置,:,PN,结加正向电压,(P,+,N-),，即,:,P,区加正、,N,区加负电压。,反向偏置,:,PN,结加反向电压,(P,-,N+),，即,:,P,区加负、,N,区加正电压。,PN,结的,单向导电性,unilateral conductivity,PN,结的单向导电性,：,正偏导通，反偏截止,正偏,:,正向偏置,。,导通,:,PN,结,正向电流,(P,N),大，,正向电阻,(P,N),小,。,反偏,:,反向偏置,。,截止,:,PN,结,反向电流,(N,P),小，,反向电阻,(N,P),大,。,内电场被削弱，加强多子扩散运动，形成较大的正向扩散电流。,内电场,外电场,变薄,内电场,外电场,变厚,R,E,P,N,+,_,+,+,内电场被加强，加强少子漂移运动，形成较小的反向漂移电流。,正偏,反偏,R,E,P,N,_,+,+,+,PN,结的光生伏打效应,：受到光照后能产生电动势。可制造光电池。,14正向偏置:PN 结加正向电压(P+,N-) ，即:P 区,15,1.2.1,基本结构：,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,外壳线,触丝线,基片,点接触型,PN,结,面接触型,P,N,二极管的电路符号：,1.2,半导体,二极管,diode,实际,二极管,电流小，适用于高频和小功率工作，,常用作数字电路中的开关元件,电流大，适用于低频和,大功率工作，常用来整流,151.2.1基本结构：PN 结加上管壳和引线，就成为半导体,16,死区电压 硅管,0.6V,锗管0,.2V,。,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U,BR,1.2.2,伏安特性,volt-ampere characteristic,理想伏安特性,正向导通时：正向压降为零，正向电阻为零，正向电流？,反向截止时：反向压降？反向电阻无穷大，反向电流为零。,实际伏安特性,导通压降,:,硅管,0V,锗管0,V,U,I,U,BR,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管0.2,0.3V,U,I,U,BR,U,I,结合伏安特性，如何理解“正偏导通，反偏截止”？,正向特性,反向特性,伏安特性上，普通二极管工作范围是哪段曲线？,16死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降: 反向击,17,1.,最大整流电流,I,OM,：,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,U,BR,：,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压,U,RWM,一般是,U,BR,的一半。,隧道击穿（也叫齐纳击穿）,击穿电压小于,6V,，有负的温度系数；,雪崩击穿,，击穿电压大于,6V,，有正的温度系数。,1.2.3,主要参数,3.,反向电流,I,R,：,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，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,反向饱和电流：,本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为,反向饱和电流。,以上均是二极管的直流参数，,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。下面介绍两个交流参数。,171. 最大整流电流 IOM ：二极管长期使用时，允许流过,18,R,L,u,i,u,o,u,i,u,o,t,t,二极管应用举例,1,：,二极管半波整流,整流电路,是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式整流等。,二极管：,死区电压,=0 .5V,，正向压降,0.7V(,硅二极管,),。,为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，,理想二极管，,即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。即，死区电压,=0,，正向压降,=0,1.3,半导体二极管的简单应用,(,Page7 ),整流、限幅、钳位、检波、保护电路、开关元件,1.4,二极管整流电路,rectifier circuit,18RLuiuouiuott二极管应用举例1：二极管半波整流,19,电源变压器,:,将交流电网电压,u,1,变为合适的交流电压,u,2,。,整 流 电 路,滤 波 电 路,稳 压 电 路,u,1,u,2,u,3,u,4,u,o,整 流 电 路,滤 波 电 路,稳 压 电 路,整流电路,:,将交流电压,u,2,变为脉动的直流电压,u,3,。,滤波电路,:,将脉动直流电压,u,3,转,变为平滑的直流电压,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,0,的稳定。,直流稳压电源的组成和功能,R,L,19电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2,20,u,2,0,时，二极管导通,。,u,0,=u,2,，,i,0,=u,0,/R,L,u,2,u,o,1.4.1,单相半波整流电路的工作原理,u,2,0时，二极管导通。u0=u2，i0=u0 /RLu,21,u,2,0,时,D,1,D,3,导通,D,2,D,4,截止,电流通路,:,由,+,经,D,1,R,L,D,3,-,u,2,0 时D1,D3导通u2uc,，,D1D3,导通，电容充电，,u0=u2,；,mn,段,，,u2,正弦规律下降，,uc,也下降，过了,n,点后，,u2uc,，,D1D3,截止，电容通过,RL,放电，,u0=uc,；,n1,段,，,D1D3,截止，电容通过,RL,放电，,u0=uc,；,1k,段,， 进入负半周，,D1D3,截止；,-u2uc,，,D2D4,导通，电容充电，,u0=-u2,；,往后重复以上过程,m,n,0,1,2,k,m,26u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL接入（且,27,一般取,(T:,电源电压的周期,),近似估算,:,U,0,=1.2U,2,。,(2),流过二极管瞬时电流很大,R,L,C,越大,U,0,越高,负载电流的平均值越大,整流管导电时间越短,i,D,的峰值电流越大,故一般选管时，取,电容滤波电路的特点,(1),输出电压,U,0,与时间常数,R,L,C,有关,R,L,C,愈大,电容器放电愈慢,U,0,(,平均值,),愈大，,27一般取(T:电源电压的周期)近似估算:U0=1.2U2。,28,输出波形随负载电阻,R,L,或,C,的变化而改变,U,0,和,S,也随之改变。,如,:R,L,愈小,(I,0,越大,),U,0,下降多,S,增大。,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。,(3),、输出特性,(,外特性,):,u,L,电容,滤波,纯电阻负载,1.4U,2,0.9U,2,0,I,L,结论,28输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0和如:RL愈,29,（,1,）滤波原理,:,对直流分量,(,f,=0):X,L,=0,相当于短路,电压大部分降在,R,L,上。对谐波分量,:,f,越高,X,L,越大,电压大部分降在,X,L,上。,因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。,U,0,=0.9U,2,当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：,u,2,u,1,R,L,L,u,0,6.,有电感滤波的整流电路,29（1）滤波原理:对直流分量( f=0):XL=0 相当于,30,（,2,）电感滤波的特点,:,整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流,(R,L,较小,),的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。,u,2,u,1,R,L,L,u,0,30（2）电感滤波的特点: 整流管导电角较大,峰值电,31,为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法,如在电容滤波后再接一级,RC,滤波电路，或在电感滤波后面再接一电容。从而构成,RC-,型或,L-C,型滤波电路，其性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似 。,u,0,R,u,2,u,1,C,1,C,2,u,0,R,L,7. RC-,滤波,31为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法, 如在电容滤波后,32,U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,曲线越陡，稳压性能越好。,+,-,U,Z,动态电阻：,r,z,越小，稳压性能越好。,1.5,稳压二极管,zener diode,工作于反向击穿区，起稳定电压的作用,伏安特性上，稳压二极管工作范围是哪段曲线？,利用稳压二极管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？,32UIIZIZmaxUZIZ曲线越陡，稳压性能越好。+,33,（,4,）,稳定电流,I,Z,、,最大、最小稳定电流,I,zmax,、,I,zmin,。,（,5,）最大允许功耗,稳压二极管的参数,（,1,）,稳定电压,U,Z,（,2,）,电压温度系数,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（,3,）动态电阻,工作于反向击穿区，起稳定电压的作用。稳压值有一定的分散性,33（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izm,34,稳压二极管的应用举例,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,稳压管的技术参数,:,解：,令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为,I,z,max,求：,电阻,R,和输入电压,u,i,的正常值。,方程,1,负载电阻,R,L,=2k,。要求,当输入电压由正常值发生,20%,波动时，负载电压基本不变。,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为,I,z,min,方程,2,联立方程,1,、,2,，可解得：,34稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的,35,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,V,照度增加,1.6,光敏二极管,1.7,发光二极管,photosensitive diode,LED: li,ght-emitting diode,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前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。,开关二极管、,光电二极管可用于光的测量，可当做一种能源,(,光电池,),。,半导体照明,：半导体中载流子发生复合时放出过剩的能量而引起光子发射。,节能,80%,；,寿命长,10,倍 ，,6,万到,10,万小时 ；,256256256,种颜色,；,环保，,光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收 ；,数字信息化产品,，在线编程，无限升级，灵活多变的特点 。,预计,2010,年中国整个,LED,产业的产值将超过,1500,亿元。,LED,电视,35反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加1.6 光敏,36,5,直流稳压电源,u,1,u,2,u,1,a,b,D,4,D,2,D,1,D,3,u,0,C,R,L,i,Z,D,Z,直流稳压电源的作用：输出稳定的直流电压。,稳压管稳压电路,集成稳压电源,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。本节主要介绍常用的,W7800,系列,三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。,365 直流稳压电源u1u2u1abD4D2D1D3u0CR,37,三端集成稳压电源,分类,:,型号后,XX,两位数字,代表输出电压值。,输出电压额定电压值有,: 5V,、,9V,、,12V,、,18V,、,24V,等 。,三端集成,稳压器,固定式,可调式,正稳压,W78XX,负稳压,W79XX,1,端,:,输入端,2,端,:,公共端,3,端,:,输出端,W78XX,外形,1,2,3,1,端,:,公共端,2,端,:,输入端,3,端,:,输出端,W79XX,外形,1,2,3,37三端集成稳压电源分类:型号后XX两位数字三端集成固定式可,38,例子：输出为固定,+5V,电压,U,O,C,O,W7805,C,I,U,I,+,_,1,3,2,0.11,F,1F,+,_,一 输出为固定电压的电路 二,输出正负电压的电路,U,O,W7805,C,I,U,I,+,_,U,O,1,3,2,+,_,C,I,W7905,1,3,C,O,C,O,2,例子：输出为,5V,电压,u,1,u,2,u,1,a,b,D,4,D,2,D,1,D,3,u,0,C,R,L,U,O,C,O,W78XX,C,I,U,I,+,_,1,3,2,0.11,F,1F,+,_,38例子：输出为固定+5V电压UOCOW7805 CIUI+,39,作业,P25,1.3,1.5,1.6,1.7,1.11,39作业 P251.3,40,电子技术,第,1,章,结束,模拟电路部分,40电子技术第1章 模拟电路部分,