二极管及其整流电路

下一页总目录章目录返回上一页4.2整流、滤波与稳压电路4.1二极管第4章二极管及其整流电路下一页总目录章目录返回上一页本章要求：一、理解PN结的单向导电性，了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；二、会分析含有二极管的电路；三、理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数计算;四、了解稳压管稳压电路的工作原理;第4章二极管及其整流电路下一页总目录章目录返回上一页学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。下一页总目录章目录返回上一页1.半导体的导电特性：掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强4.1.1半导体的基本知识4.1二极管下一页总目录章目录返回上一页2.本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。SiSiSiSi价电子下一页总目录章目录返回上一页SiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。下一页总目录章目录返回上一页本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。下一页总目录章目录返回上一页3.N型半导体和P型半导体掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。动画下一页总目录章目录返回上一页3.N型半导体和P型半导体掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素SiSiSiSi在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴动画无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。下一页总目录章目录返回上一页1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba下一页总目录章目录返回上一页4.PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－动画形成空间电荷区下一页总目录章目录返回上一页5.PN结的单向导电性(1)PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++动画+–下一页总目录章目录返回上一页(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－动画–+下一页总目录章目录返回上一页PN结变宽(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。动画–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－下一页总目录章目录返回上一页4.1.2二极管及其简单应用(a)点接触型(b)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。1.二极管的结构特点下一页总目录章目录返回上一页阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型图1–12半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极(d)符号D下一页总目录章目录返回上一页2.二极管的伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。下一页总目录章目录返回上一页3.主要参数(1)最大整流电流IDM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。(2)反向工作峰值电压URM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。(3)反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。(4)最高工作频率ƒM二极管的单向导电作用开始明显退化的交流信号频率。下一页总目录章目录返回上一页二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。下一页总目录章目录返回上一页4.二极管的简单应用定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若U阳U阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若U阳U阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。下一页总目录章目录返回上一页电路如图，求：UABU阳=－6VU阴=－12VU阳U阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起“钳位”作用，即UAB两端的电压被钳制在6V左右。D6V12V3kBAUAB+–下一页总目录章目录返回上一页两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。U1阳=－6V，U2阳=0V，U1阴=U2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2UD1∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2的电流为mA43122DI求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–下一页总目录章目录返回上一页ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。Vsin18itu8V例3：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿、定向等。uit18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––动画下一页总目录章目录返回上一页例4：二极管在检波电路中的应用。高频放大器低频放大器CDR1R2C1C2C3L在信号传输中，为使频率较低的语音信号能远距离传输，往往用表达语音信号的电压波形去控制频率一定的高频正弦波电压的幅度，称为调制。调制后的高频信号经天线可以发送到远方。这种幅度被调制的调幅信号被收音机输入调谐回路“捕获”后，经高频放大加到检波电路的输入端，由于检波二极管D的单向导电性，调幅信号的负向部分被截去，仅留下正向部分，但其包含的频率成份很多，残留的高频分量由C1、C2、R2组成的滤波电路滤出，再经隔直电容C3将音频信号耦合到低放级加以放大，在输出端即可得到调制的低频语音信号。下一页总目录章目录返回上一页4.1.3特殊二极管(1)符号UZIZIZMUZIZ(2)伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO1.稳压二极管下一页总目录章目录返回上一页(3)主要参数1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。3)动态电阻ZZZIUr5)最大稳定电流IZMI＞IZM时管子会发生热击穿。6)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。4)稳定电流IZI≥IZ时有较好的稳压性能。下一页总目录章目录返回上一页2.光电二极管在一定的反向偏置电压作用下，反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加符号3.发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几~几十mA光电二极管发光二极管下一页总目录章目录返回上一页4.光电池光电池（太阳能电池）是利用光生伏特效应（指半导体受到光照射时产生电动势的现象）把光直接转变成电能的器件，是发电式有源元件。光电池有硒光电池，砷化镓光电池，硅光电池，硫化铊光电池和硫化镉光电池。目前最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。（a）光电池的结构SiO2光PN+Rt光电池的结构和工作原理示意（b）光电池的工作原理示意IPN光下一页总目录章目录返回上一页硅光电池的开路电压为0.55V，短路电流为35~40mA/cm2。光电池的短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（负载电阻无穷大时）与光照度的关系是非线性的，且当光照度在2000lx时就趋于饱和。因此用光电池做测量元件时，应将它视为电流源，不宜