模拟电子技术 1半导体二极管及其应用.ppt

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1、第1章 半导体二极管及其应用,1.2 半导体二极管,1.3 桥式整流电路及滤波电路,1.4 稳压二极管和稳压管稳 压电路,1.1 PN结及其单向导电性能,第1章 半导体二极管及其应用,本章要求： 一、理解PN结的单向导电性。 二、了解二极管、稳压管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义。 三、会分析含有二极管的电路。 四、了解桥式整流电路、滤波电路及稳压管稳 压电路 的工作原理及其应用 。,.,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分

2、追究精确的数值。 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,1. 1 PN结及其单向导电性,1.半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,1.1.1 本

3、征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1

4、)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流,注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,1.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正

5、离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,动画,1.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量

6、 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,1.1.3 PN结的形成,载流子的两种运动扩散运动和漂移运动 扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓 度高的区域向浓度较低区域的运动。 漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的 定向运动。,PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到

7、动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,动画,形成空间电荷区,1.1.4 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,动画,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,动画,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,PN 结加反向电压时，PN结变宽，

8、反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,1.2 半导体二极管,1.2.1 基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电

9、容大，用于工频大电流整流电路。,(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,1.2.2 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,1.2.3 主要参数,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. 反向工

10、作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR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IRM,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，IRM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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,1.2.4二极管的应用(二极管电路分析举例 ),定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴

11、或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,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。,在这里，二极管起钳位作用。,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。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1

12、 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,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。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,动画,1.4 稳压管及稳压管稳压电路1.4.1稳压管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正

13、常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,1.3 整流电路及路滤电路,小功率直流稳压电源的组成直流稳压电源的原理方框图,功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压,1.3.1 整流电路,整流电路的作

14、用: 将交流电压转变为脉动的直流电压。,常见的整流电路： 半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。,分析时可把二极管当作理想元件处理： 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,整流原理： 利用二极管的单向导电性,1 单相半波整流电路,2) 工作原理,u 正半周，VaVb， 二极管D导通；,3) 工作波形,u 负半周，Va Vb， 二极管D 截止 。,1) 电路结构,动画,4) 参数计算,(1) 整流电压平均值 Uo,(2) 整流电流平均值 Io,(3) 流过每管电流平均值 ID,(4) 每管承受的最高反向电压 UDRM,(5) 变压器副边电流有效值 I,5) 整流二极管的选择,平均

15、电流 ID 与最高反向电压 UDRM 是选择整流二极管的主要依据。,选管时应满足： IOM ID ， URWM UDRM,2. 单相桥式整流电路,2) 工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。,3) 工作波形,uD2uD4,1) 电路结构,动画,4) 参数计算,(1) 整流电压平均值 Uo,(2) 整流电流平值 Io(负载电流的平均值),(3) 流过每管电流平均值 ID ID =IO /2=0.45 U2 / R L,(4) 每管承受的最高反向电压 UDRM,(5) 变压器副边电流有效值 I I2= U2 / R L=IO /0.9=1.11 IO,

16、IO= UO / R L=0.9 U2 / R L,例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，负载电阻 RL = 50，负载电压Uo=110V， 试求变压器的变比和容量，并选择二极管。,I = 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A,变压器副边电流有效值,变压器容量 S = U I = 122 2.2 = 207. 8 V A,变压器副边电压 U 122 V,可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。,例2：,试分析图示桥式整流电路中的二极管D2 或D4 断开时负载电压的波形。如果D2 或D4 接反，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧

17、坏而短路，后果又如何？,解：当D2或D4断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压， uo =0。,如果D2或D4接反 则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。,如果D2或D4因击穿烧坏而短路 则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。,1.3.2 滤波器,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。 滤波原理：滤波电路利用

18、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, 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。 方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。,1. 电容滤波器 1) 电路结构,2) 工作原理,u uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电， uC 增加，uo= uC 。,u uC时，二极管截止，电容通过负载RL 放电，uC按指数规律下降， uo= uC 。,= uC,3) 工作波形,二极管承受的最高反向电压为 。,动画,4) 电容滤波电路的特点,(T 电源电压的周期),(1) 输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间 常数

19、RLC有关。,RLC 越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo 越大，波形越平滑。,近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 桥式、全波） Uo = 1. 0 U （半波）,当负载RL 开路时，UO ,为了得到比较平直的输出电压,(2) 外特性曲线,有电容滤波,1.4U,结论,采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。 因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。,(3) 流过二极管的瞬时电流很大,选管时一般取： IOM =2 ID,RLC 越大O 越高，IO 越大整流二极管导通时间越短 iD 的峰值电流越大。,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已

20、知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL = 200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,流过二极管的电流,二极管承受的最高反向电压,变压器副边电压的有效值,解：1. 选择整流二极管,可选用二极管2CP11,IOM =100mA UDRM =50V,例： 有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL = 200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,取 RLC = 5 T/2,已知RL = 50,解：2. 选择滤波电容器,可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器,2. 电感电容滤波器,1) 电路结构,2) 滤波原

21、理,对直流分量: XL=0 ，L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L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。,当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。,LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。,3. 形滤波器, 形 LC 滤波器,滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。,比 形 LC 滤波器的体积小、成本低。, 形 RC 滤波器,R 愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R 大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,1.4.2

22、 稳压管稳压电源,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。 稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。 稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。,1) 稳压管稳压电路,(2) 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,RL(IO) IR ,设UI一定，负载RL变化, UO (UZ ) , IZ,(1) 电路,限流调压,稳压电路,19.3.1 稳压管稳压电路,2. 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,UI UZ ,设负载RL一定， UI 变化, IZ , IR ,1. 电路,3. 参数的选择,(1) UZ = UO (2) IZM= (1.5 3) ICM (3) UI = (2 3) UO,(4),为保证稳压 管安全工作,为保证稳压 管正常工作,适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。,当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO 升高时，有如下稳压过程：,2. 稳压过程,由电路图可知,UO,Uf ,UB ,UO,IC ,UCE ,由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。,