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1、教材教材:电路与电子简明教程电路与电子简明教程 主讲教师主讲教师:张张军颖军颖电子技术6.1 半导体的基本知识半导体的基本知识6.2 半导体二极管半导体二极管 稳压二极管稳压二极管6.4 整流、滤波及稳压电路整流、滤波及稳压电路第第6章章 二极管及直流稳压电路二极管及直流稳压电路 半导体的基本知识半导体的基本知识半导体半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。半导体材料的特性半导体材
2、料的特性:1.纯净半导体的导电能力很差；纯净半导体的导电能力很差；2.热敏特性热敏特性:温度升高温度升高-导电能力增强导电能力增强(如钴、锰、镍的如钴、锰、镍的氧化物做成的氧化物做成的热敏电阻热敏电阻)；3.光敏特性光敏特性:光照增强光照增强-导电能力增强导电能力增强(如镉、铅等硫化如镉、铅等硫化物做成的物做成的光敏电阻光敏电阻)；4.掺入少量杂质掺入少量杂质-导电能力增强导电能力增强(可做成可做成半导体二极管、半导体二极管、半导体三极管半导体三极管)。本征半导体本征半导体1.本征半导体本征半导体:完全纯净、具有晶体结构的半导体。完全纯净、具有晶体结构的半导体。最常用的半导体为硅最常用的半导体
3、为硅(Si)和锗和锗(Ge)。它们的共同特征。它们的共同特征是四价元素是四价元素,每个原子最外层电子数为每个原子最外层电子数为4。+SiGe共价键共价键 本征半导体本征半导体本征半导体中本征半导体中,每每个原子与相邻的个原子与相邻的四个原子结合。四个原子结合。共价键共价键:每个原子的外层一个价电每个原子的外层一个价电子与另一原子的一个价电子组成一子与另一原子的一个价电子组成一个电子对个电子对,这电子对叫这电子对叫共价键共价键。2.共价键结构共价键结构这对价电子是由相邻两个原子共有这对价电子是由相邻两个原子共有,把相邻原子结合在一起把相邻原子结合在一起,构成构成共价共价键结构。键结构。共价键共价
4、键价电子价电子共价键共价键价电子价电子自由电子自由电子和和空穴空穴同时产生同时产生 本征半导体本征半导体获获取能量取能量自由电子自由电子升温和光照升温和光照外加电压外加电压电子电流电子电流离开离开剩剩空穴空穴原子带正电原子带正电吸引相邻原吸引相邻原子子价电子价电子填填补空穴补空穴好像空穴在运动好像空穴在运动（正电荷）（正电荷）外加电压外加电压空穴电流空穴电流与金与金属导属导电的电的区别区别硅原子硅原子自由电子自由电子3.自由电子和空穴的形成自由电子和空穴的形成硅原子硅原子载流子载流子:自由电子和空穴都称为自由电子和空穴都称为载流子载流子。共价键共价键价电子价电子 本征半导体本征半导体半导体中的
5、自由电子和空穴总是半导体中的自由电子和空穴总是成对成对出现出现,同时又不断进行复合。在一定温同时又不断进行复合。在一定温度下度下,载流子载流子的的产生与复合会达到产生与复合会达到动态动态平衡平衡,载流子便维持一定数目。载流子便维持一定数目。半导体两端加外电压时半导体两端加外电压时,半导体中出现半导体中出现两部分电流两部分电流：一一是自由电子作定向运动所形成的电子电流；是自由电子作定向运动所形成的电子电流；一一是被原子核束缚是被原子核束缚价电子价电子填补空穴所形成的空穴电流。填补空穴所形成的空穴电流。温度愈高温度愈高,载流子数目就愈多载流子数目就愈多,导电性导电性能就愈好能就愈好温度对半导体器件
6、性能温度对半导体器件性能影响很大。影响很大。6.1.2 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 在常温下在常温下,本征半导体的载流子数量极少本征半导体的载流子数量极少,其导电能力相当低。其导电能力相当低。如在半导体中掺入微量杂质元素如在半导体中掺入微量杂质元素,将得到掺杂半导体将得到掺杂半导体,而而掺杂掺杂半导体的导电能力将大大提高半导体的导电能力将大大提高。由于掺入杂质元素的不同由于掺入杂质元素的不同,掺杂半导体可分为两大类掺杂半导体可分为两大类N型半导体型半导体和和P型半导体型半导体。型半导体型半导体在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入微微量量磷磷(或或五五价价元元素素),不不改改变变原
7、原子子的的晶晶体体结结构构,只只是是某某些些位位置置的的硅硅原原子子被被磷磷原原子子取取代代,磷磷原原子子与与周周围围四四个个硅硅原原子子形形成成共共价价键键后后,磷磷原原子子的的外外层层电电子子数数将将是是9 9,比比稳稳定结构多一个价电子。定结构多一个价电子。1.N型半导体型半导体P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余多余电子电子掺掺入入磷磷杂杂质质的的半半导导体体中中,自自由由电电子子数数目目大大量量增增加加。自自由由电电子子导导电电是是主主要要的的导导电电方方式式,称称为为电电子子半半导导体体或或N型型半半导导体体,其其中中自由电子自由电子是是多数载流子多数载流子,空穴
8、空穴是是少数载流子少数载流子。自自由由电电子子数数比比本本征征半半导导体体中中自自由由电电子子数数多多,空空穴穴数数比比本本征征半半导体中导体中空穴数少空穴数少。2.P型半导体型半导体在在本征半导体本征半导体中掺入微量中掺入微量硼硼(三价元素三价元素)。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空空穴穴掺掺入入硼硼杂杂质质的的半半导导体体中中,空空穴穴的的数数目目远远大大于于自自由由电电子子的的数数目目。空空穴穴为为多多数数载载流流子子,自自由由电电子子是是少少数数载载流流子子,空空穴穴导导电电是是主主要要导导电方式电方式,称为空穴型半导体或称为空穴型半导体或P型半导体型半导体。不论是
9、不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体型半导体,都只有一种载流子占都只有一种载流子占多数多数,然而然而整个半导体晶体仍是电中性的整个半导体晶体仍是电中性的。6.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN空间电荷区空间电荷区根据浓度梯度根据浓度梯度,多数载流多数载流子将进行子将进行扩散运动扩散运动。耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区;这这空间电荷区就是空间电荷区就是PN结结(内电场内电场)也称耗尽层。也称耗尽层。内电场阻碍了多子的继续扩散内电场阻碍了多子的继续扩散,推动少数载流子的推动少数载流子的漂移漂移运动运动,最
10、终达到动态平衡最终达到动态平衡,空间电荷区即空间电荷区即PN结宽度一定。结宽度一定。P区区:空穴多空穴多自由电子少自由电子少N区区:空穴少空穴少自由电子多自由电子多内电场内电场结的形成结的形成 漂移漂移运动运动:少数载流子受少数载流子受内电场作用沿电场力方内电场作用沿电场力方向的运动。向的运动。空间电荷区空间电荷区P区区N区区载流子的运动有两种形式：载流子的运动有两种形式：扩散扩散运动运动:由浓度梯度引起的多子从高浓度区向低浓度区的运动。由浓度梯度引起的多子从高浓度区向低浓度区的运动。漂移漂移运动运动:少数载流子受内电场作用沿电场力方向的运动。少数载流子受内电场作用沿电场力方向的运动。耗尽层中
11、载流子的扩散和漂移运动最后达到一种耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡动态平衡,PN结的厚度就一定。结的厚度就一定。6.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性6.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN+-2.PN结的单向导电性结的单向导电性1).加正向电压加正向电压P区接电源正极区接电源正极、N区接负极。区接负极。内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向载流子运动的动态平衡被破坏。载流子运动的动态平衡被破坏。外电场外电场作用作用P区空穴进入区空穴进入PNN区电子进入区电子进入PNPN结内结内正负离子正负离子被抵消被抵消PN结结变窄变窄内电内电场弱场弱变窄变窄扩散增
12、强扩散增强漂移变弱漂移变弱多子运动形成较大正向电流多子运动形成较大正向电流外电源不断提供电荷维持电流。外电源不断提供电荷维持电流。外电场愈强外电场愈强,正向电流愈大正向电流愈大,这时这时PN结电阻很低。结电阻很低。I2.PN结的单向导电性结的单向导电性2).加反向电压加反向电压P区接外电源的负极区接外电源的负极,N区接正极。区接正极。PN+内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向载流子载流子运动的动态平衡被破坏。运动的动态平衡被破坏。外电场外电场作用作用变宽变宽PN结结变宽变宽内电场内电场增强增强扩散扩散难进行难进行漂移漂移增强增强I0PN结电结电阻很高阻很高I0PN结具有单向导电性结具有单向
13、导电性,即正向导即正向导通、反向截止。通、反向截止。半导体二极管半导体二极管在一个在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来结的两端加上电极引线并用外壳封装起来,便构成一便构成一只半导体二极管只半导体二极管,简称二极管。简称二极管。6.2.1 基本结构基本结构金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a)点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN 结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b)面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极 符号符号D二极管是由二极管是由PN结构成的结构成的,具有单向导电性。某种硅二极管伏具有单向导电性。某种硅二极
14、管伏安特性如图：安特性如图：1.正向特性正向特性正向正向:由死区电压分为由死区电压分为死区死区和和导通区导通区。(死区电压死区电压)U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060(A)40200-0.5V:电压低电压低外电场外电场0.5V:电电压高压高外电场外电场内电场内电场内内电场大大削弱电场大大削弱正向电流大正向电流大导通。导通。导通压降导通压降:6.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性死区死区导通区导通区死区电压死区电压击击穿穿区区截止区截止区:反向电压小反向电压小漂移强漂移强(少子少子)反向电流很小反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流U(V)0.400.8-50-25I(
15、mA)204060(A)40202.反向特性：反向特性：由击穿电压分为截止区和击穿区。由击穿电压分为截止区和击穿区。击穿区击穿区:反向电压反向电压增大到一定值时增大到一定值时反向电流将突然增大反向电流将突然增大二极管失去二极管失去单向导电性单向导电性击穿击穿不可逆不可逆。击穿电压击穿电压截止区截止区 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管特性可用伏安曲线表示二极管特性可用伏安曲线表示,也可用二极管参数来说明。也可用二极管参数来说明。二极管的主要参数有：二极管的主要参数有：1.最大整流电流最大整流电流IOM:二极管长时间使用所允许通过的最大正二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。当电流向
16、平均电流。当电流IOM 时时,PN结过热而使管子损坏。结过热而使管子损坏。2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM:指二极管使用时允许加的最大反指二极管使用时允许加的最大反向电压。向电压。一般为反向击穿电压的一般为反向击穿电压的1/2至至2/3。3.反向峰值电流反向峰值电流IRM:二极管加反向峰值电压时的反向电流二极管加反向峰值电压时的反向电流值。受温度影响很大。值。受温度影响很大。二极管的主要参数二极管的主要参数4.最高工作频率最高工作频率fM:二极管所能承受的外施电压的最高频率。二极管所能承受的外施电压的最高频率。总之总之,温度对二极管特性有较大的影响温度对二极管特性有较大的影响,随着
17、温度的升高随着温度的升高,反向反向电流增大电流增大,正向压降减小。正向压降减小。6.2.4 二极管的应用二极管的应用应用应用:整流、检波、限幅、元件保护、开关元件。整流、检波、限幅、元件保护、开关元件。电路分析电路分析:二极管理想时二极管理想时,正向导通时正向导通时压降压降为零为零,非理想时非理想时,导通压导通压降降:;反向截止时二极管为断开。反向截止时二极管为断开。因为因为VBVA,D2优先导通优先导通,D2导通后导通后,D1上上加的是反向电压加的是反向电压,因而截止。因而截止。例例1:如图如图,求输出端求输出端Y的电位的电位VY。AB0V3VR-12VYD1D2解：解：则则:VY=3V。D
18、2起钳位作用起钳位作用,把把VY钳制在钳制在3V;D1起隔离作用起隔离作用,隔离输入隔离输入A和输出和输出Y。分析方法分析方法:将二极管断开将二极管断开,分析二极管两端电位的高低分析二极管两端电位的高低。若若V阳阳V阴阴,二极管二极管导通导通;若若V阳阳V阴阴,二极管二极管截止。截止。例例2:电路如图电路如图,己知输入电压己知输入电压ui=10sintV,电源电动势电源电动势E=5V,二二极管为理想元件极管为理想元件,试画出输出电压试画出输出电压uo的波形。的波形。解解:当当ui5V时时,二极管二极管D截止截止,故故uo=ui。当当ui 5V时时,二极管二极管D导通导通,则则uo=E=5V。u
19、o被限制在被限制在5V以内以内,二二极管起限幅作用。波形如下图。极管起限幅作用。波形如下图。1.如如图图,二极管二极管D1.D2为为理想元件理想元件,判断判断D1.D2 的工作状的工作状态为态为()。(a).D1导导通通,D2截止截止 (b).D1 导导通通,D2导导通通 (c).D1截止截止,D2导导通通 (d).D1截止截止,D2截止截止a2.半导体二极管的主要特点是具有（半导体二极管的主要特点是具有（）。）。(a)电流放大作用电流放大作用 (b)单向导电性单向导电性(c)电压放大作用电压放大作用b 稳压二极管稳压二极管稳压管稳压管:是一种特殊的面接触型是一种特殊的面接触型硅二极管硅二极管
20、。在电路中与适当。在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。稳压管的稳压管的图形符号图形符号：6.3.1 稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向反向正向正向正常工作于正常工作于反向击穿区反向击穿区,电流在很大电流在很大范围内变化范围内变化,电压变化很小电压变化很小,即它能起即它能起稳压的作用。反向击穿是稳压的作用。反向击穿是可逆的可逆的。在电路中稳压管是在电路中稳压管是反向联接反向联接的。的。UZIZ IZ UZIZM1稳定电压稳定电压UZ 稳稳压压管管在在正正常常工工作作时时两
21、两端端的的电电压压,就就是是它它的的反反向向击击穿穿电电压压。同一型号稳压管同一型号稳压管UZ也不一定相等。也不一定相等。2稳定电流稳定电流IZ 指稳压管工作电压等于稳定电压时的电流指稳压管工作电压等于稳定电压时的电流。每种型号稳压管都规定有一个每种型号稳压管都规定有一个最大稳定电流最大稳定电流IZM,超过它超过它,易发生热击穿易发生热击穿(不可逆不可逆),稳压管损毁稳压管损毁,IZIZM。6.3.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数3动态电阻动态电阻rZ 指稳压管两端电压的变化量指稳压管两端电压的变化量与相应电流变化量的比值。与相应电流变化量的比值。U(V)0I(mA)反向正向UZIZIZM
22、IZUZ4.电压温度系数电压温度系数 u:说明稳压值受温度影响的参数。温度每说明稳压值受温度影响的参数。温度每变化一度时变化一度时,它的稳压值变化值它的稳压值变化值。特别说明：特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。稳压管的电压温度系数有正负之别。因此选用因此选用6V左右的稳压管左右的稳压管,具具有较好的温度稳定性。有较好的温度稳定性。6.3.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数5.最最大大允允许许耗耗散散功功耗耗PZM:保保证证稳稳压压管管不不发发生生热热击击穿穿的的最最大大功功率损耗。其值为稳定电压和允许的最大电流乘积。率损耗。其值为稳定电压和允许的最大电流乘积。例题例题1：如图如图,通
23、过稳压管的电流通过稳压管的电流IZ等于多少？等于多少？解：解：UR=20-12=8VIZ=IR=8/1.6=5mA0时时,二极管二极管导通导通,u0=u；而而u0时时,D1.D3导通导通,而而D2.D4截止；截止；uoaTrRLbuD1D2D3D4t0uoTu0时时,D2.D4导通导通,而而D1.D3截止。截止。Uo工作情况工作情况:-+io管中电流：管中电流：管承受的最高反向电压：管承受的最高反向电压：例例:桥式整流电路桥式整流电路,已知已知RL=160,要求输出电压的平均值为要求输出电压的平均值为20V,试选择合适的二极管。试选择合适的二极管。解：解：因因U0=20 V,Io=Uo/RL=
24、20/160=125mA流过二极管的平均电流为流过二极管的平均电流为IDIo125=变压器副边电压的有效值为变压器副边电压的有效值为U=Uo二极管承受的最高反向电压为二极管承受的最高反向电压为 查附录查附录C-1可知可知,应选用应选用2CZ52B(100 mA,50 V)二极管。二极管。常见的几种整流电路常见的几种整流电路UUoIoUUoIoUUoUIo整流电压平均值整流电压平均值t0uot0uot0uo电电 路路整流电压波形整流电压波形二极管平均电流二极管平均电流二极管最高二极管最高反向电压反向电压副边电流有效值副边电流有效值半半波波全全波波桥桥式式 滤波滤波电路电路整流电路仅将交流电转换成
25、单向脉动的电压。整流电路仅将交流电转换成单向脉动的电压。需需滤波器滤波器改善电压的脉动程度。改善电压的脉动程度。1 电容滤波电路电容滤波电路DRLT Tr rab uC=uoCt0 0ut0 0uD截止截止D导通导通D导通导通D截止截止D导通导通电容滤波器的作用电容滤波器的作用ucu+u-+-无无滤滤波波有有滤滤波波二极管二极管UDRM=22U当当RL=时时,UO=2U,输出最大。输出最大。改善了输出电压的脉动程度改善了输出电压的脉动程度,但带负载能力较差。但带负载能力较差。采用采用电容滤波电容滤波时时,输出电压的脉动程度与电容器的放电时间输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数常数RLC有关
26、有关,其值愈大则脉动程度就愈小。一般为其值愈大则脉动程度就愈小。一般为:即即输出电压输出电压Uo由下式估算：由下式估算：(半波半波);(全波全波)二极管的导通时间短二极管的导通时间短,在一个周期内电容器的充电电荷等于在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电荷放电电荷,即电流平均值为零，即电流平均值为零，ID=IO。1 电容滤波电路电容滤波电路二极管的导通时间较短二极管的导通时间较短,因此通过二极管的电流峰值较大因此通过二极管的电流峰值较大,应应避免电流冲击损坏二极管。避免电流冲击损坏二极管。二极管选择时二极管选择时,一般按一般按(23)ID选择二极管的最大整流电流。选择二极管的最大整流电流。桥式
27、电容滤波桥式电容滤波:t0 0u电容滤波器的作用电容滤波器的作用有有滤滤波波aTrbuRLuoD1D2D3D4C二极管二极管UDRM=2U1 电容滤波电路电容滤波电路滤波电路中滤波电路中电容电容元件的选择：元件的选择：耐压值为二极管的反向耐压值为二极管的反向工作峰值电压。工作峰值电压。电容滤波电路的电容滤波电路的特点特点:结构简单结构简单,输出电压较高输出电压较高,脉动也较小脉动也较小,带负载能力差带负载能力差,且有电流冲击。且有电流冲击。例例:如图如图,已知电源已知电源f=50Hz,RL=200,要求输出直流电压要求输出直流电压U0=20V,选择整流二极管和滤波电容。选择整流二极管和滤波电容
28、。RLuuoC解：解：查附录查附录C-1可知可知,应选用应选用2CZ52B(100mA,50V)。应选用应选用C=250F,耐压为耐压为50V的电解电容。的电解电容。为了减小输出电压的脉动程度为了减小输出电压的脉动程度,可在滤波电容之前串接一个可在滤波电容之前串接一个铁心电感线圈铁心电感线圈L即即电感电感滤波器滤波器。XL=2fL,f愈高愈高,电感上电感上的压降的压降愈大愈大,输出电压的输出电压的脉动程度减小脉动程度减小。一般需要线圈的电感量一般需要线圈的电感量较大较大,但其直流电阻也较但其直流电阻也较大大,因而会造成输出电压因而会造成输出电压的下降。的下降。L滤波器适于电流较大、输出滤波器适
29、于电流较大、输出电压脉动很小场合电压脉动很小场合,更适合高频更适合高频滤波。滤波。2 电感滤波电感滤波电路电路 TrRLuCL电感滤波电路电感滤波电路+-如果需要输出电压的脉动如果需要输出电压的脉动更小更小,可再加一个滤波电容可再加一个滤波电容,即即 形形LC滤波器。滤波器。由于线圈体大且重由于线圈体大且重,有时可用有时可用电阻代替电感线圈以构成电阻代替电感线圈以构成 形形RC滤波器滤波器。R愈大滤波效果愈大滤波效果愈好愈好,但将使输出电压下降但将使输出电压下降,所所以适用于负载电流较小、电压以适用于负载电流较小、电压脉动很小场合。脉动很小场合。3 形形滤波电路滤波电路 形形LC滤波电路滤波电
30、路RLuC2LC1+-形形RC滤波电路滤波电路RLuC2RC1+-最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。1.电路结构电路结构稳压管稳压管稳压电路稳压电路 经整流滤波后经整流滤波后,脉动程度虽有了最大改善脉动程度虽有了最大改善,但直流电压幅度还但直流电压幅度还会随着会随着电网的波动或负载的变化电网的波动或负载的变化而变化。需进行稳压。而变化。需进行稳压。uUIUoIZ(稳压管特性稳压管特性)UR(IR=IZ+Io)Uo=UI-RIR,抵消抵消UI,保持保持Uo近似不变。近似不变。(1)电网电压波动电网电压波动(2)负载波动负载波动IoIRURUo(UI不变不变)IZURUo不变不变2.工作原理工作原理选稳压管规律选稳压管规律:UZ=Uo;IZM=(1.5-5)IOM;UI=(2-3)Uo3.稳压管的选择稳压管的选择RLUIDZRCUOIZIo+-IRu+-例例:如图如图,已知已知RL由开路变至由开路变至2k,交流电压经整流滤波后得到交流电压经整流滤波后得到UI=30V。今要求。今要求Uo=10V,试选择合适的稳压管。试选择合适的稳压管。解：当解：当RL=2 k时时查查附附录录C-2可知可知,应选应选用用2CW59,其参数其参数为为 Uz=1011.8 V，IZM=20 mARLUIDZRCUOIZIo+-IR