1、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,教学要求 1.理解PN结的单向导电性； 2.了解二极管、稳压管、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 3.分析含有二极管的电路；理解并掌握单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算; 4. 了解稳压管稳压电路的工作原理。,导体的导电机理,电阻的双向导电性,电阻的伏安特性,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n
2、onconductor ：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10-5107 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、光敏三极管等。,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410-3m 到2103m。 （可做成各种不同用途
3、的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,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intrinsic semiconductor,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
4、,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free electron ，同时共价
5、键上留下一个空位，称为空穴hole。这一现象称为本征激发。,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,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,当半导体两端加上外电压时，本征半导体中会形成电流，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
6、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（离子注入工艺） ，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
7、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1.51010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2.3105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
8、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-type semiconductor,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,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
9、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 PN junction。,1.1.2 PN 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
10、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(PN)大，正向电阻(PN)小。 反偏:反向偏置。截止:PN结反向电流(NP)小，反向电
11、阻(NP)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-ampere characteristic,理想伏安特性,正向导通时：正向压降为零，正向电阻
12、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0.60.7V,锗管0.20.3V,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；
13、雪崩击穿，击穿电压大于6V，有正的温度系数。,1.2.3主要参数直流参数,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,（4）微变电阻 rD,rD 是二极管特
14、性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,1.2.3主要参数交流参数,（5）二极管的极间电容,二极管两极之间有电容，由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：当电压变化时，就会引起积累在势垒区（积累空间电荷的区域）的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,19,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN 结高频小信号时的等效电路,势垒电容和扩散电容的综合效应,二极管的微变电阻和极间电容为交流参数,扩散电容CD ：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P
15、区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,20,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。,1.3 半导体二极管的简单应用 限幅、钳位、整流、检波、保护电路、开关元件,解：,21,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8Vui 8V，二极管截止，可看作
16、开路 uo = ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例2：,参考点,二极管阴极电位为 8 V,解：,22,二极管应用举例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=0,1.4二极管整流电路rectifier circuit,23,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
17、 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,24,2. 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,1.4.1单相半波整流电路的工作原理 *,4. 参数计算,输出电压平均值（U0）：,整流电流平均值：,二极管承受的最高电压：,二极管上的平均电流：,25,4. 参数计算,（1）整流电压平均值 Uo,（2）整流电流平均值 Io,（3
18、）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,26,u20 时,D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路: 由+经D1 RLD3-,u20 时,D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: 由-经D2 RLD4+,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 *,27,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：
19、,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。,28,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。,29,几种常见的硅整流桥,30,4. 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
20、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。,31,RL接入（且RLC较大）时,0m段，u2上升，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，D2D4导通，电容充电，u0=-u2；往后重复以上过程,m,n,0,1,2,k,m,32,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
21、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，,33,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,34,例题,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。,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 =
22、100mA UDRM =50V,（2）选择滤波电容器,已知 RL = 50,可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器,35,（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,（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。,36,为了改善滤波特性，可采取多级滤
23、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,37,U,IZ,曲线越陡，稳压性能越好。,UZ,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？,38,（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
24、）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,稳压电路 稳压原理,ui,稳压管特性,39,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：,40,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 photosensitive diode LED: light-emitting diode,
25、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,41,5 直流稳压电源,直流稳压电源的作用：输出稳定的直流电压。,
26、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。,42,三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,43,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,
