半导体二极管与整流电路.ppt

1 第1章半导体二极管与整流电路 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 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 5 107 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4 10 3 m到2 103 m 半导体的导电机理 4 一 本征半导体的结构特点 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intrinsicsemiconductor 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 5 共价键共用电子对 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 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freeelectron 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 自由电子 空穴 束缚电子 7 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 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extrinsicsemiconductor 一 N型半导体N typesemiconductor 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 5 1010个 cm3 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 3 105个 cm3 二 P型半导体P typesemiconductor 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 9 多余电子 磷原子 一 N型半导体N typesemiconductor 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 typesemiconductor 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 11 P型半导体 N型半导体 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 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PNjunction 1 1 2PN结及其单向导电性PN结的形成 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 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 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unilateralconductivity 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 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 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 点接触型 面接触型 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 16 1 2 2伏安特性volt amperecharacteristic 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0V 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 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 17 1 最大整流电流IOM 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UBR 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URWM一般是UBR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IR 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 18 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rectifiercircuit 19 电源变压器 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2 整流电路 滤波电路 稳压电路 整流电路 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3 滤波电路 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压u0的稳定 直流稳压电源的组成和功能 RL 20 u2 0时 二极管导通 u0 u2 i0 u0 RL 1 4 1单相半波整流电路的工作原理 u2 0时 二极管截止 u0 0 i0 0 输出电压平均值 U0 二极管上的平均电流 ID I0 二极管上承受的最高电压 21 u2 0时 D1 D3导通D2 D4截止电流通路 由 经D1 RL D3 u2 0时 D2 D4导通D1 D3截止电流通路 由 经D2 RL D4 输出是脉动的直流电压 桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形 1 4 2单相桥式整流电路的工作原理 22 负载电压U0的平均值 负载上的 平均 电流 整流二极管平均电流ID 二极管截止时两端承受的最大反向电压 每个二极管只有半周导通 流过每只整流二极管的平均电流ID是负载平均电流的一半 23 i0平均值I0 U0 0 9U2 输出电压波形 二极管上承受的最高电压 二极管上的平均电流 u0平均值U0 1 4 3单相全波整流电路的工作原理 只给出分析结果 请自行分析 24 几种常见的硅整流桥 25 4 有电容滤波的整流电路 滤波原理 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流 其中既有直流成分又有交流成份 滤波电路利用储能元件电容两端的电压 或通过电感中的电流 不能突变的特性 将电容与负载RL并联 或将电感与负载RL串联 滤掉整流电路输出电压中的交流成份 保留其直流成份 达到平滑输出电压波形的目的 1 4 4滤波器filter 滤波器的作用 改善整流电路输出电压的脉动程度 使脉动直流变得较为平滑 26 RL接入 且RLC较大 时 0m段 u2上升 u2 uc 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 D2D4导通 电容充电 u0 u2 往后重复以上过程 m n 0 1 2 k m 27 近似估算 U0 1 2U2 2 流过二极管瞬时电流很大 RLC越大 U0越高 负载电流的平均值越大 整流管导电时间越短 iD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U0与时间常数RLC有关 RLC愈大 电容器放电愈慢 U0 平均值 愈大 28 输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变 U0和S也随之改变 如 RL愈小 I0越大 U0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 结论 29 1 滤波原理 对直流分量 f 0 XL 0相当于短路 电压大部分降在RL上 对谐波分量 f越高 XL越大 电压大部分降在XL上 因此 在输出端得到比较平滑的直流电压 U0 0 9U2 当忽略电感线圈的直流电阻时 输出平均电压约为 6 有电感滤波的整流电路 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 RL较小 的场合 缺点是电感铁芯笨重 体积大 易引起电磁干扰 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 7 RC 滤波 32 U IZ 曲线越陡 稳压性能越好 UZ 1 5稳压二极管zenerdiode 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 33 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 5 最大允许功耗 稳压二极管的参数 1 稳定电压UZ 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 34 稳压二极管的应用举例 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Izmax 求 电阻R和输入电压ui的正常值 方程1 负载电阻RL 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Izmin 方程2 联立方程1 2 可解得 35 反向电流随光照强度的增加而上升 1 6光敏二极管1 7发光二极管photosensitivediodeLED light emittingdiode 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 256 256 256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 36 5直流稳压电源 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 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端 公共端2端 输入端3端 输出端 W79XX外形 38 例子 输出为固定 5V电压 一输出为固定电压的电路二输出正负电压的电路 UO 例子 输出为 5V电压 39 作业P25 1 31 51 61 71 11 40 电子技术 第1章结束 模拟电路部分