半导体二极管及基本电路.ppt

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1、电子技术,电工电子教学基地编制,2,一、课程的性质及任务,1.本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课，是研究各种半导体器件、电子线路及应用的一门学科。2.学生通过本课程的学习，掌握一些有关电子技术的基本理论、基本知识，为今后进一步学习打下一定的基础。,3,二 研究对象1.电子器件的特性、参数；2.电子线路分析的基本方法：即模拟电路和数字电路的分析方法。3.有关应用。三 研究方法电子技术的研究方法与电路不同，它具有更强的工程性质，在分析中常用工程近似法突出主要问题，使分析过程得以简化。,4,讲授内容,第一章 半导体二极管及基本电路 第二章 晶体管及基本放大电路 第四章 反馈放大电路 第五章 集

2、成电路运算放大器及应用 第八章 数字电路基础第九章 逻辑代数与逻辑函数 第十章 组合逻辑电路 第十一 双稳态触发器 第十二章 时序逻辑电路,5,电子技术发展概况,1906年真空三极管的诞生，标志着第一代电子器件真空管开始形成。20世纪40年代后期，出现了一种新型的电子器件半导体器件，它被称为第二代电子器件。1959年第三代电子器件集成电路诞生。集成电路的发展经历了小规模、中规模、大规模和超大规模等不同阶段。第一块集成电路上只有四只晶体管，而目前的集成电路已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。,6,第一章 半导体二极管 及基本电路,基本要求 理解 P N 结的单向导电性，理解二极管

3、、稳压管的工作原理，掌握分析二极管、稳压管电路的分析方法。基本内容基础知识半导体二极管 二极管基本电路及分析方法 稳压二极管及电路分析方法,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识,7,1.1 半导体的基础知识,半导体按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘体和半导体三类。导体：电阻率很低、电流易通过、导电性强的物体。绝缘体：电阻率很高、电流不通过、无导电能力的物体。半导体：它的导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。半导体是如何导电的？怎样提高其导电能力？,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/本征半导体,8,半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组成某种形式的

4、晶体点阵，这种半导体称为本征半导体。也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,1.本征半导体,(a)锗Ge 的原子结构(b)硅Si 的原子结构,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/本征半导体,9,本征半导体导电方式,以硅（Si）元素为例讨论、分析 硅单晶中的共价键结构,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/本征半导体,10,1）自由电子和空穴的形成,在外界的影响下（如热、光、电场、磁场等），使得其共价键中的价电子获得一定能量后，电子受到激发脱离共价键，成为自由电子（带负电），共价键中留下一个空位，称为“空穴”。,价电子,空穴 自由电子,第一章 半导体二

5、极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/本征半导体,11,2）载流子的形成,在外电场的作用下，价电子填补空穴，就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，空穴运动相当于正电荷的运动。当加上一定方向的电场后，就会不断有激发、复合过程，出现两部分的电流，即 电子电流：自由电子作定向运动所形成的电；空穴电流：被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的电流。自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为载流子,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/杂质半导体,12,2.杂质半导体,杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素），而形成的半导体。,N 型半导体,P 型半导体,第一

6、章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/杂质半导体,13,在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素（如磷元素），如图所示，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。,N 型半导体,磷原子的结构,硅晶体中掺磷出现自由电子,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/杂质半导体,14,N 型半导体示意图,半导体中的自由电子数目大量增加，于是有：自由电子数 空穴数 多数载流子 少数载流子以自由电子导电作为主要导电方式的半导体，称为电子半导体或 N 型半导体（N type semiconductor)。,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识

7、/杂质半导体,15,自由电子数 空穴数 少数载流子 多数载流子以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半导体或 P型半导体(P type semiconductor)。,硅晶体掺硼出现空穴,硼原子的结构,P 型半导体,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/杂质半导体,16,掺杂浓度,温度,N 型、P 型半导体示意图N 型半导体 P 型半导体,杂质半导体中多数载流子浓度取决于 少数载流子浓度取决于,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/杂质半导体,17,半导体中存在着两种载流子-自由电子和空穴。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。在本征半导体中掺微量

8、杂质可以控制半导体的导电能力和参加导电的主要载流子的类型。环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用这一特性制造的。,二.半导体的特点：,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/P N 结,18,三.P N 结,多数载流子要从浓度大的 区域扩散到浓度小的区域，形成空间电荷区-PN结，产生电场，称为内电场 Ed；内电场对多数载的扩散运动起阻挡作用，对少数载流子又起推动作用，这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/P N 结

9、,19,注意：1）空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移动，不参与导电。因区域内的载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。2）内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区-PN结又称为阻挡层或耗尽层。,1.PN结的形成,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/P N 结,20,2.P N 结的单向导电性,1）PN 结加正向电压,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/P N 结,21,2）PN 结加反向电压,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/P N 结,22,2）PN 结加反向电压,结论：P N 结具有单向导电性。加正向电

10、压，PN结导通，正向电流较大，结电阻很低。加反向电压，PN 结截止，反向电流很小，结电阻很高。,第一章 半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识/P N 结,23,3）PN 击穿,当加在PN结的反向电压超过某一数值（UBR）时，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只要PN结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。4）PN结的电容效应加在PN结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的变化，说明PN结具电容效应。PN结的结电容的数值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考虑PN结的结电容作用。,第一章 半导体二极管及基本电路,24,1.2 半导体二极管,一.

11、点接触式和面接触式二极管的结构,第一章 半导体二极管及基本电路/1.2半导体二极管,25,二.伏安特性（VA特性),硅二极管的伏安特性,二极管的伏安特性将二极管分为三种状态截止、导通和击穿。,第一章 半导体二极管及基本电路/1.2半导体二极管/伏安特性,26,硅二极管的伏安特性 锗二极管的伏安特性,第一章 半导体二极管及基本电路/1.2半导体二极管/伏安特性,27,1）正向特性：OA段：当 UF UT（死区电压）时外电场不 足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流 IF 很小(I F 0)，D处于截止状态。硅(Si)：U T 0.5V;锗(Ge):U T 0.1V。AB段：当 U

12、 F U T后，Ed扩散运动 I F D 导通。D导通时的正向压降，硅管约为(0.60.7)V，锗管约为(0.20.3)V。,分析：,第一章 半导体二极管及基本电路/1.2半导体二极管/伏安特性,28,2）反向特性,OC段：当 U R U BR（击穿电压）时，,一般情况下，锗管反向电流I R硅管I R反向电流。,第一章 半导体二极管及基本电路/1.2半导体二极管/伏安特性,29,综述：,1）二极管的 VA 特性为非线性；2）当 时，且 U D U T，则 D 导通；3）当-U BR U D U T，有I R 0，则D 截 止；4）当 时，且 绝对值U R U BR，则反向击穿烧坏。,第一章 半

13、导体二极管及基本电路/1.2半导体二极管,30,三.主要参数,1）最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压 U R M 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。U R M=（击穿电压）/2 3）最大反向电流 I R M 当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的反向电流。I R M越小，单向导电性好。,第一章 半导体二极管及基本电路,31,二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器件，分析电路时常采用模型分析法。理想模型 恒压模型,1.3 二极管基本电路及分析方法,第一章 半导体二极管及基本电路

14、/1.3二极管基本电路及分析方法,32,例 1.在图所示电路中，设二极管正向导通电压为0.7V，试估算A点的电位。若3 k和2 k对调A点的电位如何变化。,解：先判定二极管的工作状态，再选用合适的线性等效模型代替二极管进行分析计算。正向电压UD=-1V，D截止，Ua=-1V。正向电压UD=1V，D导通，Ua=0.7V。,第一章 半导体二极管及基本电路/1.3二极管基本电路及分析方法,33,例 2.,开关电路如图所示，当输入端 UA=3V，UB=0 V,试求 输出端 Y 的电位 UY。,解：UA=3V，UB=0V DA优先导通，DB 截止；则 UY=UAUD=30.7(0.3)=2.3(2.7)

15、V,例 2图,UA UB U 0 2.30 3 2.33 3 2.30 0-0.7,1 0 10 1 11 1 10 0 0,电路的逻辑关系为或逻辑二极管具有钳位作用,第一章 半导体二极管及基本电路/1.3二极管基本电路及分析方法,34,例 3.,限幅（削波）作用电路如图所示，,求 uo 及画出波形。,解：1）当 ui E 时，D导通；uo=UD+E E 2)当 ui E 时,D截止，uo=ui,第一章 半导体二极管及基本电路,35,1.4 稳压二极管（DZ),稳压二极管的工作机理是利用PN结的击穿特性。一.VA特性、符号、状态,第一章 半导体二极管及基本电路/VA特性、符号、状态,36,分析

16、：,1）稳压管的正向特性与二极管相同。2）稳压管的反向特性OA段：当 0U UZ（反向击穿电压，数值较小）时，I Z很小，稳压管截止；AB段：当 U UZ 时，稳压管反向击穿，I Z 很大，虽 I Z变化范围很大，但 DZ 稳压管两端的电压UZ 变化很小；体现了稳压特性。由此得知：1）稳压管的 VA 特性为非线性，且反向特性很陡，；2）稳压管有导通、截止、击穿三个状态，常工作于反向击穿状态。,第一章 半导体二极管及基本电路,37,二.主要参数,1).稳定电压 UZ DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是它的反向击穿电压。2).稳定电流 IZ DZ在稳定电压工作管子中的工作电流。3).动态电阻

17、rZ DZ管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。即,（动态电阻愈小，稳压性能愈好。）,第一章 半导体二极管及基本电路/1.3二极管基本电路及分析方法,38,例 1.,电路如图所示，设稳压管DZ1 和DZ2 的稳定电压分别为5V和10V,试求出输出电压U，判断稳压管所处的工作状态。已知稳压管正向电压为0.7V。解：当DZ1 和DZ2断开时，同时加有25V反向电压。由于DZ1DZ2小，DZ1先被击穿，UO5V，因而DZ1处于击穿状态，DZ2处于截止状态。,39,1.5 直流电源（第七章）,半导体直流电源的原理方框图。,基本要求：理解单相整流、滤波、稳压电路的工作原理，掌握设计全波整流电路的计算

18、方法。,二 整流电路,三 滤波电路,四 稳压电路,一 变压,40,图中各环节的功能如下：,1.变压：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。2.整流电路：将交流电压变换为单向脉动的直流电压。3.滤波电路：减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。4.稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定。,41,一、变压,利用变压器将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。变压器结构、符号和参数,额定容量SN=UN2IN2,42,二、整流电路,2）工作原理u1 经Tr u2,波形图,1.单相半波整流电路1）.电路组成,43,3）主要参数(1)单相半波整流电压的平均值UO,(2)单相半波整流

19、电流的平均值IO,44,(3)二极管中的平均电流ID,(4)二极管承受的最大反向电压UDRM,4）整流元件的选择 根据ID、UDRM 选择合适的整流元件D;,45,1）.电路组成：原理图如图所示,单相桥式整流电路图,2.单相桥式整流电路,46,2）工作过程,当u2 0(正半周)，D1、D3导通，D2、D4 截止。i2的通路是a D1 RL D3 b;,当u2 0(负半周)，D2、D4 导通，D1、D3 截止。i2 的通路是b D2 RL D4 a;,47,单相桥式整流电路波形图,48,3）主要参数,(1)单相桥式整流电压的平均值UO,(2)单相桥式整流电流的平均值IO,49,(3)二极管中的平

20、均电流ID,(4)二极管承受的最大反向电压UDRM,50,4）整流元件及变压器的选择,(1)根据ID、UDRM 选择整流电路元件D1 D4;(2)根据负载RL的要求决定变压器副边的有效值，UO=0.9 U2,IO=0.9 I2 U2=1.11 UO,I2=1.11 IO(3)根据U2、I2和电源电压U1选择变压器。变比：K=U1/U2 容量：S=I2U2,51,例1:,已知负载电阻RL80，负载电压Uo110V。今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为380V。(1)如何选用二极管?(2)求整流变压器的变比及容量。解:(1)二极管:,选择:IFM 0.69A，URM 172.8V。,52,(2)

21、整流变压器的变比和容量：变比,I2=1.11 IO 1.53 A变压器的容量 S=I2U2=1.53122.21187 VA,选择变压器 K=4 S187VA,53,三、滤波电路,1.电容低通滤波器1）.电路组成,2）.工作过程,分析:设uC(0-)=0,(1)u2 0(正半周)a)当0 u2 U2m,D1、D3导通，D2、D4 截止，iD=iC+iO,uC=uO，电容充电。,55,b)当 u2 uC，且/2 t 时,D1、D3、D2、D4截止，iD=0，iC=iO,uC=uO，电容向负载放电。,56,(2)u2 0(负半周)，a)在t 3/2，当 uC|u2|U2m 时，D2、D4 导通，D

22、1、D3 截止，有:iD=iC+iO,uC=uO，电容充电。,b)在3/2 t 2，当|u2|uC 时，D1D4截止，有:iD=0，iC=iO,uC=uO，电容放电。,(3)此后，电容周期性的充电、放电。,3）.参数估算,放电时间常数=RL C，若RL愈大，即愈大，则uO 愈平坦，脉动愈小，UO 值愈高。因此，输出电压受负载变化的影响较大，电容滤波电路的外特性较差。为得到较好的滤波效果，一般取:,58,(1)C=(3 5)T/(2RL)(2)在(1)条件下，有：UO=(1.11.2)U2,一般取：UO=1.2 U2(3)输出电流平均值：,(4)整流管中的平均电流值：,在U2=0的瞬间加C,在U

23、2最大瞬间加C,例2:,有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率 f 50 HZ，U1=220V，负载电阻RL1000，要求直流输出电压uo30V，选择整流二极管及滤波电容器。解:(1)选择整流二极管,ID=IO=30mA,取:UO=1.2 U2，则:U2=UO/1.2=25V,故选用整流二极管为2CP11，其IF=100 mA,UDRM=50V。,60,(2)选择 滤波电容器 据式=RLC（35）T/2 取 RLC=5T/2 且 f=50 HZ T=1/f=0.02 s,61,2.电感低通滤波器,1）.电路组成,电感低通滤波电路,62,2）.分析(1)XL=L，随谐波 f XL 可以减

24、弱整流电压中的交流分量，在负载上可得到低频分量；(2)当 f=0时，XL=0，直流分量全部降在负载 RL 上。可见，XL滤去高次谐波，输出端得到较为平坦的输出电压。,63,四、稳压电路,1.并联稳压电路1）.电路组成,并联稳压电路,64,根据电路结构有：UO=UZ=UiIR*R(6.9)IR=IZ+IO(6.10),2）.稳压工作过程,65,(2)Ui不变，负载 RL变化的稳压过程：RL U O、UZ IZ IR,UR UZ，使U O 保持不变。,实质是利用UZ 变化，引起IZ 较大的变化，经调节电阻R 的调整作用，达到保持输出电压基本不变。,66,一般稳压电路包含以下四个基本环节1)基准电压

25、：提供稳定电压 UZ。2)采样电路：将输出电压一部分取出。3)比较放大电路：将采样电压与稳定电压比较后进行放大。4)调整管：将经过比较放大后的信号送入调整管，保证UO 的稳定。,67,2.集成稳压电源,单片集成稳压电源它具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。1).型号(1)W78系列:输出固定正电压，有5 V、8V、12V、15V、18V等；型号有：W7805、W7808、W7812、W7815、W7818等；,68,(2)W79系列:输出固定负电压，有5 V、8V、12V、15V、18V等；型号有：W7905、W7908、W7912、W7915、W7918等；,2）.W78系列稳压电路 这种稳压电路只有输入端1、输出湍2 和公共端 3 三个引出端，故也称为三端集成稳压器。,69,W78系列集成稳压电源原理图,70,3）.应用电路,例1：下图为 输出正电压电路,C1用于抵消因输入引线较长的电感效应，防止自激；C2用于减小输出脉动电压，改善负载的暂态效应。,71,例2：下图为 输出正、负电压电路,集成稳压电源实际电路 输出正、负电压,