單元七半導體器件及應用

單元七半導體器件及應用7.2半導體二極管7.3晶閘管7.1半導體的導電特性、PN結(jié)7.5濾波器7.6直流穩(wěn)壓電源7.4整流電路

本單元要求：1.

理解半導體的導電特性、

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?.理解二極管、穩(wěn)壓管和晶閘管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；3.理解單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)的計算;4.了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理;5.了解集成穩(wěn)壓電路的性能及應用。1半導體的導電特性、PN結(jié)一、半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強1.1本征半導體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。空穴溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。1.2N型半導體和P型半導體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。二、PN結(jié)2.1PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區(qū)2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。外電場–+內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－由此可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?半導體二極管一、基本結(jié)構(gòu)(a)點接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型圖1–12半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D二、伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。三、主要參數(shù)1.最大整流電流

IOM：二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向工作峰值電壓URWM：是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。四、幾種特殊二極管：光敏二極管（當受到光照時,飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強度的變化而變化）；發(fā)光二極管（簡稱LED，是一種光發(fā)射元件，當發(fā)光二極管的PN結(jié)加上正向電壓時，會發(fā)生發(fā)光現(xiàn)象）；穩(wěn)壓二極管（是一種用特殊工藝制造的硅材料二極管，它具有穩(wěn)定電壓的功能，在穩(wěn)壓設備和一些電子電路中經(jīng)常使用）。二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。（相當于一個閉和的開關）2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。（相當于一個斷開的開關）

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。3晶閘管晶閘管原稱可控硅，是硅晶體閘流的簡稱。它是近40年來發(fā)展起來的一種較理想的大功率電能變換與控制的理想器件。自晶閘管問世以來，弱電對強電的控制得到了快速的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)領域的各個方面得到了廣泛的應用，如可控整流、逆變、變頻、交流調(diào)壓等。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管有三個電極，陽極A、陰極K和控制極（門極）G。螺栓式晶閘管有螺栓的一端是陽極，使用時用它固定在散熱器上，安裝、更換管子方便，但僅靠陽極散熱器效果差；另一端有兩根引線，其中較粗的是陰極，較細的是控制極。平板式晶閘管的中間金屬環(huán)的引出線是控制極，離控制極較遠的端面是陽極，近的端面是陰極，使用時晶閘管夾在兩個散熱器中間，散熱效果好。晶閘管的結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號如下圖所示，管芯由P型和N型半導體組成P1、N1、P2、N2結(jié)構(gòu)，形成三個PN結(jié)J1、J2和J3，分別從P1、P2、N2引出三個電極，所以晶閘管是一個四層三端半導體器件。a)螺栓式b)平板式晶閘管外形圖a）結(jié)構(gòu)示意圖b）圖形符號晶閘管結(jié)構(gòu)示意圖和符號二、晶閘管的工作特性EaHLVTSEgRa）反向阻斷EaHLVTSEgRb）正向阻斷EaHLVTSEgRc）正向?qū)╠）去掉觸發(fā)信號EaHLVTSEgR由以上分析可得出晶閘管的工作性能：（1）導通條件：在晶閘管的陽極與陰極間加正向電壓，同時在控制極與陰極間加正向電壓，晶閘管就能導通。兩者缺一不可。（2）關斷條件：晶閘管導通后，控制極失去控制作用，即使去掉控制極電壓，晶閘管仍然導通。若要使晶閘管關斷，只有在陽極與陰極間加反向電壓，或去掉正向電壓，使流過晶閘管的陽極主電流小于某一數(shù)值，才能關斷。（3）晶閘管導通后，控制極失去控制作用，因此，控制極只需要一個觸發(fā)脈沖就可觸發(fā)晶閘管導通。（4）晶閘管具有單向?qū)щ娦?，且導通時刻是可以通過控制極控制的，所以，晶閘管可以用來構(gòu)成可控整流電路。（5）晶閘管還可以用作無觸點功率靜態(tài)開關，取代繼電器、接觸器構(gòu)成控制電路。直流穩(wěn)壓電源小功率直流穩(wěn)壓電源的組成功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓4整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。分析時可把二極管當作理想元件處理：

二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦評DO一、單相半波整流電路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管D導通；3.工作波形

u負半周，Va<Vb，二極管D截止。1.電路結(jié)構(gòu)–++–aTrDuLu2bRLiL動畫u2tOuLO4.參數(shù)計算(1)輸出電壓平均值UL(2)輸出電流平均值IL(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓UDRM5.整流二極管的選擇平均電流ID與最高反向電壓UDRM是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時應滿足：

IOF

ID，URWM2UDRM

半波整流電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件少。但是也存在明顯的缺點：只利用了電源的半個周期，所以電源的利用率較低，而且輸出電壓脈動較大。故半波整流只用在對脈動要求不高，輸出電流較?。◣资涟惨韵拢┑闹绷髟O備。二、單相橋式整流電路2.工作原理u負半周，Va＜Vb，二極管D2、D4

導通，D1、D3截止。3.工作波形uD2uD41.電路結(jié)構(gòu)uouDttRLuiouo1234ab+–+–－－uuD1uD3u

正半周，Va>Vb，二極管D1、D3

導通，D2、D4

截止。由此可見，橋式整流電路中，D1、D3和D2、D4輪流導通，流過負載的是兩個半波的電流，電流方向相同，故稱為全波整流。從橋式整流的波形圖可看出其輸出直流電壓的脈動程度比半波整流降低了。輸出電壓平均值UL(2)輸出電流平均值IL(4)每管承受的最高反向電壓(3)流過每管電流平均值ID整流二極管的選擇一般選管根據(jù)二極管的電流ID和二極管所承受的最大反向電壓UDRM進行選擇，即二極管的最大整流電流IOM＞ID，二極管的反向工作峰值電壓URWM＞2UDRM。必須注意，橋式整流電路的四個二極管的正負極不能接反。交流電源和直流負載也不許接錯。否則，可能發(fā)生電源短路，不僅燒壞整流管，甚至燒壞電源變壓器。橋式整流電路的優(yōu)點是電源利用率高，輸出電壓提高了一倍。流過每個管子的電流僅為輸出電流的一半，有利于電路的保護。單相整流電路只用三相供電線路中的一相電源，如果電流較大，將使三相負載嚴重不平衡，影響供電質(zhì)量。故單相橋式整流電路僅適用于中、小功率的整流。大功率整流（幾千瓦以上）一般采用三相整流電路。三相整流不僅可以做到三相電源的負載平衡，而且輸出的直流電壓脈動更小。例1：單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負載電阻RL=50，負載電壓UL=100V，試求變壓器的副邊電壓U2，并選擇二極管。變壓器副邊電壓U=U0/0.9

111V可選用二極管2CZ10C，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。解:由UDRM=157V得由得由得例2：試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2

或D4

斷開時負載電壓的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因擊穿或短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：當D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路。正半周時，D1和D3導通，負載中有電流過，負載電壓uo=u；負半周時，D1和D3截止，負載中無電流通過，負載兩端無電壓，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反則正半周時，二極管D1、D4或D2、D3導通，電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。

如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時，情況與D2或D4接反類似，電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞。uo+_~u+_RLD2D4D1D3三、三相橋式整流電路2.工作原理在每一瞬間共陰極組中陽極電位最高的二極管導通；共陽極組中陰極電位最低的二極管導通。1.電路D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––o三相變壓器原繞組接成三角形，副繞組接成星形共陽極組共陰極組在t1~

t2

期間共陰極組中a點電位最高，D1導通；共陽極組中b點電位最低，D4導通。負載兩端的電壓為線電壓uab。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o負載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9在t2~

t3

期間共陰極組中a點電位最高，D1導通；共陽極組中c點電位最低，D6導通。負載兩端的電壓為線電壓uaC。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o負載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo在t3~

t4

期間共陰極組中b點電位最高，D3導通；共陽極組中c點電位最低，D6導通。負載兩端的電壓為線電壓ubC。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o負載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo在t4~

t5

期間共陰極組中b點電位最高，D3導通；共陽極組中a點電位最低，D2導通。負載兩端的電壓為線電壓uba。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o負載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo2.工作原理結(jié)論：

在一個周期中，每個二極管只有三分之一的時間導通（導通角為100°）。D1RLuoD6D3D5D4D2iocbau++––

o變壓器副邊電壓負載電壓負載兩端的電壓為線電壓。uouaubuC23.參數(shù)計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓UDRM5濾波器

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。

濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。方法：將電容與負載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負載RL串聯(lián))。

一、電容濾波器

1.電路結(jié)構(gòu)2.工作原理

u>uC時，二極管導通，電源在給負載RL供電的同時也給電容充電，uC

增加，uo=uC

。

u<uC時，二極管截止，電容通過負載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC

。+Cici–++–aDuoubRLio=uC

3.工作波形二極管承受的最高反向電壓為。uoutOtO4.電容濾波電路的特點(T—電源電壓的周期)(1)輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時間常數(shù)RLC有關。

RLC

越大電容器放電越慢輸出電壓的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算?。?/p>

Uo

=1.2U(

橋式、全波）

Uo

=1.0U（半波）當負載RL開路時，UO

為了得到比較平直的輸出電壓例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值uRLuo++––~+C解：1.選擇整流二極管可選用二極管2CP10IOM=100mAUDRM=50V

二、電感電容濾波器1.電路結(jié)構(gòu)L

uRLuo++––~+C2.濾波原理對直流分量:XL=0，L相當于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:f越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負載上得到比較平滑的直流電壓。當流過電感的電流發(fā)生變化時，線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化,使負載電流和電壓的脈動減小。

LC濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，用于高頻時更為合適。三、形濾波器形LC濾波器

濾波效果比LC濾波器更好，但二極管的沖擊電流較大。

比形LC濾波器的體積小、成本低。LuRLuo++––~+C2+C1形RC濾波器RuRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R大將使直流壓降增加，主要適用于負載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。10.3直流穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓器）是為電路或負載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設備。

穩(wěn)壓電路的輸出電壓大小基本上與電網(wǎng)電壓、負載及環(huán)境溫度的變化無關。理想的穩(wěn)壓器是輸出阻抗為零的恒壓源。實際上，它是內(nèi)阻很小的電壓源。其內(nèi)阻越小，穩(wěn)壓性能越好。

穩(wěn)壓電路是整個電子系統(tǒng)的一個組成部分，也可以是一個獨立的電子部件。6穩(wěn)壓電路1.符號UZIZIZMUZIZ2