半導體二極管及整流電路

1、半導體二極管及整流電路第1頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二8.1.1 半導體的導電特征半導體 導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導體 純凈的半導體。如硅、鍺單晶體。載流子 自由運動的帶電粒子。共價鍵 相鄰原子共有價電子所形成的束縛。+4+4+4+4硅(鍺)的原子結構Si284Ge28184簡化模型+4慣性核硅(鍺)的共價鍵結構價電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價鍵內(nèi)移動第2頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二本征激發(fā)：復 合： 自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。漂 移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。 在室溫或

2、光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。第3頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動半導體的導電特征IIPINI = IP + IN+ 電子和空穴兩種載流子參與導電 在外電場的作用下，自由電子逆著電場方向定向運動形成電子電流IN 。空穴順著電場方向移動，形成空穴電流IP 。第4頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二 結論:1. 本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn), 且數(shù)量少； 2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子

3、參與導電； 3. 本征半導體導電能力弱，并與溫度、光照等外 界條件有關。8.1.2 N型半導體和P型半導體 本征半導體中由于載流子數(shù)量極少，導電能力很弱。如果有控制、有選擇地摻入微量的有用雜質(zhì)（某種元素），將使其導電能力大大增強，成為具有特定導電性能的雜質(zhì)半導體。第5頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二一、N 型半導體在硅或鍺的晶體中摻入五價元 素磷。N 型磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù) 電子數(shù)+5+4+4+4+4+4正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子N 型半導體的簡化圖示第6頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二P 型硼原子空穴空穴 多子

4、電子 少子載流子數(shù) 空穴數(shù)二、P 型半導體在硅或鍺的晶體中摻入三價元 素硼。+4+4+4+4+4+3P型半導體的簡化圖示多數(shù)載流子少數(shù)載流子負離子第7頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二8.1.3 PN結的形成一、載流子的濃度差引起多子的擴散二、 復合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層) 空間電荷區(qū)特點:無載流子、阻止擴散進行、利于少子的漂移。三、 擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流 等于漂移電流， 總電流 I = 0。內(nèi)電場擴散運動：漂移運動：由濃度差引起的載流子運動。載流子在電場力作用下引起的運動。第8頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二一、加正向電壓(正向

5、偏置)導通P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場+ UR外電場外電場使多子向 PN 結移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。 I限流電阻擴散運動加強形成正向電流 I 。I = I多子 I少子 I多子二、加反向電壓(反向偏置)截止P 區(qū)N 區(qū) +UR內(nèi)電場外電場外電場使少子背離 PN 結移動， 空間電荷區(qū)變寬。IPN 結的單向?qū)щ娦裕赫珜?，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流 II = I少子 08.1.4 PN結的單向?qū)щ娦缘?頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二8.3 二極管8.3.1 二極管的結構8.3.2 二極管的伏安特性8.3.3 二極管的

6、主要參數(shù)8.3.4 二極管電路的分析第10頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二8.3.1 二極管的結構構成：PN結 + 引線 + 管殼 = 二極管 (Diode)符號：分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結構分點接觸型面接觸型點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負極引線負極引線 面接觸型N型鍺PN結 正極引線鋁合金小球底座金銻合金平面型正極引線負極引線集成電路中平面型pNP型支持襯底第11頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二第12頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二8.3.2 二極管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

7、 = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(鍺管)U UthiD 急劇上升0 U Uth 反向特性U (BR)反向擊穿U（BR) U 0 iD 0.1 A(硅) 幾十A (鍺)U U（BR）反向電流急劇增大(反向擊穿)擊穿電壓第13頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因： 齊納擊穿：反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。 PN結未損壞，斷電即恢復。 PN結燒毀。第14頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二1. IOM 最大整流電流（最大正向平均電流）2.

8、 URM 最高反向工作電壓，為U(BR) / 2 3. IRM 最大反向電流（二極管加最大反向電壓時的 電流，越小單向?qū)щ娦栽胶茫?.3.3 二極管的主要參數(shù)8.3.4 二極管電路的分析一、理想二極管特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD= 0 ; 反偏截止， iD= 0第15頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二二、實際二極管uDiD例 1 硅二極管，R = 2 k，求出 VDD = 2 V 時 IO 和 UO 的值。（忽略二極管正的向工作電壓）UOVDDIOR解：VDD = 2 V IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2

9、VUOVDDIOR硅管 0.6 V鍺管 0.2 V二極管正的向工作電壓第16頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二例 2 ui = 2 sin t (V), 分析二極管的限幅作用（二極管的死區(qū)電壓為0.5V，正向工作電壓0.6V）。D1D2uiuOR 0.6 V ui 0.6VD1、D2 均截止uO= uiuO= 0.6 Vui 0.6 VD2 導通 D截止ui 0.6 VD1 導通 D2 截止uO= 0.6VOtuO/ V0.6Otui / V2 0.6解：第17頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二例3 二極管構成“門”電路，設 D1、D2 均為理想二極

10、管，當輸入電壓 UA、UB 為低電壓 0 V 和高電壓 5 V 的不同組合時，求輸出電壓 UF 的值。0 V正偏導通正偏導通0 V0 V5 V正偏導通反偏截止0 V5 V0 V反偏截止正偏導通0 V5 V5 V正偏導通正偏導通5 VFR3 kW12 VD1D2BAUAUBUFR3 kW12 VVDDD1D2BAF輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBD1D20 V0 V正偏導通正偏導通0 V0 V5 V正偏導通反偏截止0 V5 V0 V反偏截止正偏導通0 V5 V5 V正偏導通正偏導通5 V第18頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二 8.4 單相整流電路第19頁，共32頁，20

11、22年，5月20日，1點36分，星期二濾波整流穩(wěn)壓變壓交流電源負載OtuOtuOtuOtuOtu220 V單向脈動直流電壓合適的交流電壓濾波穩(wěn)壓半導體整流電源的組成框圖第20頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二 單相半波整流電路第21頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二to23u2to23 uOto23 iD= iOto23 uDDRL220 V+ uu2iD=iOuD+第22頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二變壓器副變電壓有效值變壓器副邊電流有效值為整流電流平均值第23頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二例8.

12、1 已知負載電阻RL =300,負載電壓UO=24V。今采用單相半波整流電路，交流電源電壓為220V。（1）根據(jù)電路要求選擇二極管。（2）求整流變壓器的變比和容量。解： 負載電流：每個二極管通過的平均電流變壓器二次側(cè)電壓的有效值為 可選用2CP12二極管，其最大整流電流為100mA，最高反向工作峰值電壓為100V。二極管承受的最高反壓：第24頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二 變壓器的變比： 變壓器副邊電流有效值 變壓器的容量： 單相半波整流電路使用元件少，輸出電壓脈動大，電壓低，效率低。第25頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二 單相橋式整流電路第2

13、6頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二+uoRLio+u2u1+uoioRLD4D3D2D1u2u1D4D1D2D3+u2RL+uoiou1D3D1D2D4+u2RL+uoiou1一、橋式整流電路（幾種畫法）第27頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二二、橋式整流電路工作原理RLioD4D3D2D1+u2+uo承受反壓截止+u1u2正半周：D1和D3導通，D2和D4截止。第28頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二RLD4D3D2ioD1+u2+uou2負半周：+u1承受反壓截止D2 和 D4導通, D1和 D3 截止。第29頁，共32頁，2022年，5月20日，1點36分，星期二1. 波形輸入負半周D3RLD4D2D1u1u2+uo+ioioRLD4D3D2D1+u2u1+uo輸入正半周totototo23232233uOu2uDiD= iOD2