半導(dǎo)體二極管及整流電路

半導(dǎo)體二極管及整流電路第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一8.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征半導(dǎo)體—

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體

—純凈的半導(dǎo)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(jié)構(gòu)Si284Ge28184簡化模型+4慣性核硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)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，2023年，2月20日，星期一本征激發(fā)：復(fù)合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)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，2023年，2月20日，星期一兩種載流子電子(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(dǎo)體的導(dǎo)電特征IIPINI=IP+IN+–電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)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

?？昭樦妶龇较蛞苿?，形成空穴電流IP

。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

結(jié)論:1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn),且數(shù)量少；

2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度、光照等外界條件有關(guān)。8.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很弱。如果有控制、有選擇地?fù)饺胛⒘康挠杏秒s質(zhì)（某種元素），將使其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)，成為具有特定導(dǎo)電性能的雜質(zhì)半導(dǎo)體。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一一、N型半導(dǎo)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(dǎo)體的簡化圖示第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一P型硼原子空穴空穴

—

多子電子

—

少子載流子數(shù)

空穴數(shù)二、P型半導(dǎo)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(dǎo)體的簡化圖示多數(shù)載流子少數(shù)載流子負(fù)離子第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一8.1.3PN結(jié)的形成一、載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散二、復(fù)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(kuò)散進(jìn)行、利于少子的漂移。三、擴(kuò)散和漂移達(dá)到動態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0。內(nèi)電場擴(kuò)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，2023年，2月20日，星期一一、加正向電壓(正向偏置)導(dǎo)通P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場+

UR外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。I限流電阻擴(kuò)散運動加強(qiáng)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(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，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(qiáng)形成反向電流II

=I少子

08.1.4PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一8.3

二極管8.3.1二極管的結(jié)構(gòu)8.3.2二極管的伏安特性8.3.3二極管的主要參數(shù)8.3.4二極管電路的分析第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一8.3.1二極管的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：PN結(jié)+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(jié)構(gòu)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(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金平面型正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型pNP型支持襯底第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一8.3.2二極管的伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

反向特性U(BR)反向擊穿U（BR)

U0iD

<0.1A(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，2023年，2月20日，星期一反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)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?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1.

IOM—

最大整流電流（最大正向平均電流）2.

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(dǎo)通，uD=0;反偏截止，iD=0第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一二、實際二極管uDiD例1

硅二極管，R=2k，求出VDD=2V時IO和UO的值。（忽略二極管正的向工作電壓）UOVDDIOR解：VDD=2V

IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2VUOVDDIOR硅管

0.6V鍺管

0.2V二極管正的向工作電壓第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一例2

ui=2sin

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

0.6V<

ui<0.6VD1、D2均截止uO=uiuO=0.6Vui0.6VD2導(dǎo)通D１截止ui<

0.6VD1導(dǎo)通D2截止uO=0.6VOtuO/V0.6Otui

/V20.6解：第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一例3二極管構(gòu)成“門”電路，設(shè)D1、D2均為理想二極管，當(dāng)輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時，求輸出電壓UF的值。0V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通0V0V5V正偏導(dǎo)通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏導(dǎo)通0V5V5V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通5VFR3kW12VD1D2BAUAUBUFR3kW12VVDDD1D2BAF輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBD1D20V0V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通0V0V5V正偏導(dǎo)通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏導(dǎo)通0V5V5V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通5V第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

8.4單相整流電路第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一濾波整流穩(wěn)壓變壓交流電源負(fù)載OtuOtuOtuOtuOtu220V單向脈動直流電壓合適的交流電壓濾波穩(wěn)壓半導(dǎo)體整流電源的組成框圖第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一8.4.1

單相半波整流電路第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一to23u2to23

uOto23

iD=iOto23

uDDRL~220V+uｏ–u2iD=iO–uD+第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一例8.1

已知負(fù)載電阻RL=300,負(fù)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(fù)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，2023年，2月20日，星期一

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，2023年，2月20日，星期一8.4.2

單相橋式整流電路第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一+uoRLio+u2u1+uoioRLD4D3D2D1u2u1D4D1D2D3+u2RL+uoiou1D3D1D2D4+u2RL+uoiou1一、橋式整流電路（幾種畫法）第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一二、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(dǎo)通，D2和D4截止。第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一RLD4D3D2ioD1+u2+uou2負(fù)半周：+u1承受反壓截止D2和D4導(dǎo)通,D1和D3截止。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1.波形輸入負(fù)半周D3RLD4D2D1u1u2+uo+ioioRLD4D3D2D1+u2u1+uo輸入正半周totototo23232233uOu2uDiD=iO