工學(xué)第1章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路課件

1、半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第一章主要內(nèi)容： 半導(dǎo)體二極管的概念 不同種類二極管的作用 橋式整流電路的結(jié)構(gòu)及作用 濾波電路的作用第1頁，共47頁。物質(zhì)導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)物質(zhì)按導(dǎo)電能力可以一下三大類： 半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間,且隨著摻入雜質(zhì)、輸入電壓（電流）、溫度和光照條件的不同而發(fā)生很大變化，人們把這一類物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。2022/8/4第2頁，共47頁。任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在現(xiàn)代電子器件中，用得最多的半導(dǎo)體材料就是硅和鍺。本征半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體硅或者鍺的晶體內(nèi)，摻入五價元素雜質(zhì)如磷、砷、銻等。N 型半導(dǎo)體：P 型

2、半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體硅或者鍺的晶體中，摻入三價元素雜質(zhì)如硼、銦等。2022/8/4第3頁，共47頁。任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)1N 型半導(dǎo)體：主要靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。即：電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。2P 型半導(dǎo)體：主要靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。 即：空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。 經(jīng)過特殊的工藝加工，將 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起，則在兩種半導(dǎo)體的交界面就會出現(xiàn)一個特殊的接觸面，稱為 PN 結(jié)。PN 結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴N結(jié)2022/8/4第4頁，共47頁。 P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合前后任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)2022/8/4第5頁，共47頁。（1）正向?qū)ǎ弘娫凑龢O接 P

3、型半導(dǎo)體，負極接 N 型半導(dǎo)體，電流大。（2）反向截止：電源正極接 N 型半導(dǎo)體，負極接 P 型半導(dǎo)體，電流小。結(jié)論：PN 結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通，加反向電壓時截止，這種特性稱為PN 結(jié)的單向?qū)щ娦浴?任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)2022/8/4第6頁，共47頁。 1、導(dǎo)電性能介于 和 之間的物質(zhì)稱為“半導(dǎo)體”。3、 P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是 ，N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是 。 2、把PN結(jié)外加正向電壓時導(dǎo)通、外加反向電壓時截止時的特性叫做 特性。 練一練：2022/8/4第7頁，共47頁。任務(wù)二：半導(dǎo)體二極管基本知識 二極管的外觀1二極管的種類2 二極管的結(jié)構(gòu)3 二極管的作用42022/8/4第8頁，

4、共47頁。二極管的結(jié)構(gòu)1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號利用 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以用來制造一種半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體二極管。箭頭表示正向?qū)娏鞯姆较颉?電路符號如圖所示。2022/8/4第9頁，共47頁。二極管的結(jié)構(gòu)二極管正向偏置 二極管反向偏置 二極管單向?qū)щ娦则炞C試驗：2022/8/4第10頁，共47頁。由于管芯結(jié)構(gòu)不同，二極管又分為點接觸型（如圖 a）、面接觸型（如圖 b）和平面型（如圖 c）。 點接觸型：PN 結(jié)接觸面小，適宜在小電流狀態(tài)下使用。面接觸型、平面型：PN 結(jié)接觸面大，截流量大，適合于大電流場合中使用。二極管的結(jié)構(gòu)2022/8/4第11頁，共47頁。2二極管的特性伏安特性：二極

5、管的導(dǎo)電性能由加在二極管兩端的電壓和流過二極管的電流來決定，這兩者之間的關(guān)系稱為二極管的伏安特性。硅二極管的伏安特性曲線如圖所示。特性曲線二極管的結(jié)構(gòu)2022/8/4第12頁，共47頁。 正向?qū)ǎ寒?dāng)外加電壓大于死區(qū)電壓后，電流隨電壓增大而急劇增大，二極管導(dǎo)通。 死區(qū)：當(dāng)正向電壓較小時，正向電流極小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，如 OA 段，通常把這個范圍稱為死區(qū)。 死區(qū)電壓：導(dǎo)通電壓：=onV0.2 V 0.3 V （Ge）0.6 V 0.7 V （Si）結(jié)論：正偏時電阻小，具有非線性。（1）正向特性（二極管正極電壓大于負極電壓）=(Si）V 0.2V 5.0TV(Ge）二極管的結(jié)構(gòu)2022/8/

6、4第13頁，共47頁。二極管的結(jié)構(gòu) 反向擊穿：若反向電壓不斷增大到一定數(shù)值時，反向電流就會突然增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。 反向飽和電流：當(dāng)加反向電壓時，二極管反向電流很小，而且在很大范圍內(nèi)不隨反向電壓的變化而變化，故稱為反向飽和電流。（2）反向特性（二極管負極電壓大于正極電壓）普通二極管不允許出現(xiàn)此種狀態(tài)。結(jié)論：反偏電阻大，存在電擊穿現(xiàn)象。二極管屬于非線性器件 2022/8/4第14頁，共47頁。3半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流 IF： 二極管長時間工作時允許通過的最大直流電流。 二極管正常使用時允許加的最高反向電壓。 使用時應(yīng)注意流過二極管的正向最大電流不能大于這個數(shù)值，否則可能

7、損壞二極管。（2）最高反向工作電壓 VRM使用中如果超過此值，二極管將有被擊穿的危險。二極管的結(jié)構(gòu)2022/8/4第15頁，共47頁。二極管的種類、外觀及作用普通二極管起檢波、整流、開關(guān)作用電源、信號指示和顯示等 發(fā)光二極管特殊二極管2022/8/4第16頁，共47頁。特殊二極管能穩(wěn)定一定的電壓值，須工作在反向擊穿區(qū) 工作在反向特性區(qū)，反向電流隨光照增加而增大通過調(diào)節(jié)其兩端反向電壓而改變其電容量的大小，常用在高頻調(diào)諧、通信等電路中 穩(wěn)壓二極管 光電二極管 變?nèi)荻O管2022/8/4第17頁，共47頁。1、理想二極管導(dǎo)通時，其管壓降約為UD = ，其等效電阻rD約為 。 2、要使硅二極管工作在截

8、止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)使其外加電壓UD為 。練一練：3、穩(wěn)壓二極管正常工作時應(yīng)工作在 狀態(tài)。 4、硅材料二極管的死區(qū)電壓和正向?qū)妷悍謩e為V 和 V。2022/8/4第18頁，共47頁。任務(wù)三：整流濾波電路“整流”是什么意思？有幾種整流電路？這些整流電路的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？整流電路的優(yōu)缺點？“濾波”是什么意思？如何實現(xiàn)濾波？濾波電路的種類？任務(wù)分解2022/8/4第19頁，共47頁。一、整流電路將交變電流變換成單向脈動電流的過程稱為整流。實現(xiàn)這種功能的電路稱為整流電路或整流器。請大家思考：生活中的手機、電腦、電視機等，它們實際工作電壓值是交流220V嗎？NO ！ 我們的生活、學(xué)習(xí)和工作中有許多電器實際的工

9、作電壓都沒有220V這么大，而且還都是直流電壓。那么，2022/8/4第20頁，共47頁。由電源變壓器 T、整流二極管 VD 和負載電阻 RL 組成。1、單相半波整流電路如圖所示：2022/8/4第21頁，共47頁。1）當(dāng)v2 為正半周時，二極管 VD 加正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，RL 上產(chǎn)生正半周電壓 vO ，如圖（b）所示。2）當(dāng) v2 為負半周時，二極管 VD 加反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)， RL 上無電流流過，如圖（c）所示。工作原理示意圖如圖所示。 （1）工作原理2022/8/4第22頁，共47頁。各波形之間的對應(yīng)關(guān)系如圖所示：2022/8/4第23頁，共47頁。半波整流：電路僅利用電源電

10、壓的半個波，故稱半波整流。脈動直流電：大小波動，方向不變的電流（或電壓）稱為脈動直流電。半波整流后的輸出信號為半波脈動直流電。半波整流電路的缺點是電源利用率低，且輸出脈動大。2022/8/4第24頁，共47頁。（2）負載與整流二極管的電壓和電流1）負載電壓 VO 2）負載電流 IL 3）流過二極管的正向電流 IV4）二極管反向峰值電壓 VRVO = 0.45 V22022/8/4第25頁，共47頁。（3）正確選擇二極管的參數(shù)： 最大整流電流： 最高反向工作電壓： IVM IO 2022/8/4第26頁，共47頁。2、單相全波整流電路如圖所示：半波整流電路波形：比較2022/8/4第27頁，共4

11、7頁。負載與整流二極管的電壓和電流：（1）負載所獲得的直流電壓平均值： VO = 2 0.45 V2 = 0.9 V2 （2）負載平均電流：（3）每只二極管承受的反向峰值電壓 VR（4）每只二極管通過的平均電流：2022/8/4第28頁，共47頁。具有電阻負載的橋式整流電路如圖所示：3、單相橋式整流電路2022/8/4第29頁，共47頁。1） 當(dāng) v1 為正半周時，如圖（b）所示，VD1 和 VD3 導(dǎo)通， VD2 和 VD4 截止，RL 兩端輸出電壓 vO 。2）當(dāng) v1 為負半周時，如圖（b）所示， VD2和 VD4 導(dǎo)通， VD1 和 VD3 截止，RL 兩端輸出電壓 vO 。（1）工作

12、原理2022/8/4第30頁，共47頁。橋式整流電路波形如圖所示：2022/8/4第31頁，共47頁。（2）負載與整流二極管的電壓和電流1）負載所獲得的直流電壓平均值： VO = 2 0.45 V2 = 0.9 V2 4）每只二極管承受的反向電壓： 3）每只二極管通過的平均電流：2）負載平均電流：2022/8/4第32頁，共47頁。做一做：有一直流負載需要直流電壓 6 V，直流電流0.4 A，若采用橋式整流電路，求電源變壓器的二次電壓，及流過二極管的平均電流和承受的反向電壓。則 解 ： 因 VL = 0.9 V2 流過二極管的平均電流二極管承受的反向電壓2022/8/4第33頁，共47頁。二、

13、濾波電路在整流電路后加接濾波電路可使負載得到平滑的直流電壓。常見的濾波電路有 型 LC 濾波、 型 LC 濾波和 型RC 濾波，如圖所示。2022/8/4第34頁，共47頁。1電容濾波電路電路圖如圖所示：（1）電容器在半波整流電路中的濾波作用單相半波整流濾波電路如何將直流電壓變得更加平滑呢?它原理：2022/8/4第35頁，共47頁。電路圖和波形如圖所示：（2）電容器在橋式整流電路中的濾波作用單相橋式整流濾波電路2022/8/4第36頁，共47頁。1）空載（RL=）時：u2tuLtuc=uLu2 uC時：二極管導(dǎo)通，C充電u2 uC時：二極管截止，C放電。由于RL=，無放電回路，所以uC保持。

14、2022/8/4第37頁，共47頁。2）接入RL（且RLC較大）時u2tiDtu2 uC時：二極管導(dǎo)通，C充電u2 uC時：二極管截止，C放電。二極管中的電流uc= uL近似估算: UL=1.2U22022/8/4第38頁，共47頁。電路結(jié)構(gòu): 在橋式整流電路與負載間串入一電感L。輸出電壓平均值: UL=0.9U2 適用于負載電流較大的場合。對諧波分量: f 越高，XL 越大,電壓大部分降在電感上。 因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。對直流分量: XL=0 相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上2電感濾波電路2022/8/4第39頁，共47頁。圖示采用 型 RC 濾波電路的橋式整流器。3RC 濾

15、波電路電路中 C1 的作用和上面講的濾波作用相同，R 和 C2 起進一步平滑作用， C2 越大，效果越好。只是電阻 R 上的直流壓降使輸出電壓降低。2022/8/4第40頁，共47頁。4 型 LC 濾波電路圖示為 型 LC 濾波電路。圖中 L 為電感量很大的鐵心線圈，使加到 RL 上的交流成分減小，所以這種濾波器的平滑濾波作用比 RC 濾波器好。2022/8/4第41頁，共47頁。對任務(wù)三進行小結(jié)一 整流電路1、單相半波整流電路2、單相全波整流電路3、單相橋式整流電路 二 濾波電路 1、單相半波整流電容濾波電路 2、單相橋式整流電容濾波電路 3、電感濾波電路電路結(jié)構(gòu)各電路的作用計算uo=？20

16、22/8/4第42頁，共47頁。做一做：1、如果變壓器二次(即副邊)電壓的有效值為10V，橋式整流濾波后(帶負載)的輸出電壓為 V。 2、如右圖所示，u2=20V，該電路正常工作時，若D1由于某種原因斷路，則uL=V。2022/8/4第43頁，共47頁。半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第一章小結(jié)2晶體二極管的核心是 PN 結(jié)，故具有單向?qū)щ娦?。二極管屬于非線性器件，其伏安特性是非線性的。二極管的門坎電壓，硅管約 0.5 V ，鍺管約 0.2 V。導(dǎo)通電壓，硅管約 0.7 V ，鍺管約 0.3 V。1本征半導(dǎo)體內(nèi)存在兩種載流子：自由電子和空穴。雜質(zhì)半導(dǎo)體有 P 型和 N 型兩種，P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，N 型半導(dǎo)體中自由電子是多子。PN 結(jié)是在 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體交界面附近形成的空間電荷區(qū)，也叫阻擋層或耗盡層 。PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即正偏時導(dǎo)通，反偏時截止。2022/8/4第44頁，共47頁。5單相橋式整流電路為全波整流電路，在電源正、負半周時，兩組電路輪流工作，所以二極管中的電流平均值僅為負載電流的一半。 3單相半波整流電路負載所獲得的電壓、電流是正弦半波，其電壓平均值 ；整流二極管的極限參數(shù)選擇：應(yīng)使 IVM IO， VM 。4單相全波整流電路采用全波整流，使輸出電壓平均值提高一倍，即 。全波整流電路的主要缺點是管子的耐壓值需要提高一倍，電源變壓器需要有中心