电工学第6章 半导体二极管及整流电路PPT课件

第6章 半导体二极管及整流电路
当u2上升到峰值后（图中b点）：
D1
u2
D4
uL
b
e
a
c d
fg
D3
D2 C
RL uC
uL
O
t
充电 放电
（a）电路图
（b）波形图
图 6.17 桥式整流滤波电路
u2开始按正弦规律下降，电容按指数规律放电，开始 趋势与u2基本相同，见图中曲线的bc段。
当u2下降到c点后: uC的下降速度就会小于u2 的下降速度， 使uC >u2 ，此时D1、D3变为反向偏置而截止，电容通过RL自 由放电，见图中曲线的cd段。
反向电压为u2 。
O
iD1, 3
2 3 t 2 3 t
u2负半周： D2、 D4导通，D1、 D3
截止； uL等于u2 ， D1、 D3承
受反向电压为u2 。
O
iD 2, 4
2 3 t
O
2 3 t
图 6.16 桥式整流电路波形 波形
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第6章 半导体二极管及整流电路
输出电压平均值：
a
Tr D4
D1
u2
D3
D2 b
RL uL
Tr u2
RL uL
（a） 电路原理图
（b）简化画法
图 6.15 单相桥式整流电路
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第6章 半导体二极管及整流电路
2、分半周：
O
D1、 D3导通，D2、 D4截
止；
uL
uL等于u2 ， D2、 D4承受
第6章 半导体二极管及整流电路
6.3 单向整流滤波电路
6.3.1 单相半波整流电路
1、组成
由电源变压器Tr、 二极管D、负载电 阻RL组成。
a iD D
Tr
uD
iL
u2
uL RL
b
图 6.13 单相半波整流电路
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第6章 半导体二极管及整流电路
2、分析： u2 2U2si nt a iD D
反向击穿时的特点：电流在很大范围内变化，但 稳压管两端的电压变化很小。这就是稳压管的电流调 节作用。
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第6章 半导体二极管及整流电路
2．光电二极管
也称光敏二极管，是一种将光信号转换为电信 号的半导体器件，由光敏半导体材料制成。
光电二极管是在反向电压 下工作的。
无光照时，反向电流很 小，称为暗电流；有光照时， 其反向电流随光照强度增加 而增大，称为光电流。
光电二极管常作为光电控 制器件或用来进行光的测量。
R
D
E
图 6.10 光电二极管电路
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第6章 半导体二极管及整流电路
3．发光二极管
简称LED，是一种将电能转换为光能的半导体器 件。
当PN结有正向电流通过时即可发光。
ab
c
d
e
f
g
a
fgb
e
c
d
图 6.11 发光二极管（LED）
发光二极管常用作显示器件，除单个使用外， 还可制成七段式或点阵式显示器。
形成共价键后，多出的电 子成为自由电子。
自由电子是多数载流子。
空穴是少数载流子。
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第6章 半导体二极管及整流电路
（2）P型半导体
Si
Si
Si
+4
+4
+4
Si
B
Si
+4
P
+4
Si
Si
Si
+4
+4
+4
图 6.3 P 型半导体结构示意图
在本征半导体中掺入少 量的3价元素硼B，晶体结 构不变，但一些位置上的 硅原子被硼原子替代。
二极管流过的电流平均值为：
11 ID2IL2904m 5 A
选管原则： 最大整流电流IFM>正向平均电流ID；
最高反向工作电压>实际承受的最大反向电压 的2倍。
查电工手册，可选择2CP11，其最大整流电流为 100mA，最高反向电压为50V。
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第6章 半导体二极管及整流电路
6.3.3 滤波电路
6.2.2 二极管的伏安特性 二极管两端电压与通过管子的电流之间的关系。
（a）硅二极管
（b）锗二极管
图 6.8 二极管的伏安特性
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第6章 半导体二极管及整流电路
1、正向特性（①段曲线 ） 死区电压： 锗管 0.1V 硅管 0.5V 正向电压： 锗管 0.2—0.3V 硅管 0.6—0.7V
2、反向特性（②段曲线） 加反向电压时少数载流子的漂移运动形成很小的反
向电流。与温度有关。
3、反向击穿特性（③段曲线） 当外加反向电压超过某一数值时，反向电流突然
增大，二极管失去了单向导电性。 雪崩击穿：反向电压过高，电子空穴对连锁碰撞晶 体原子形成很大的反向电流。 齐纳击穿：掺杂浓度大，反向电压较强时，价电子 直接被拉出形成反向电流。 下一页 上一页 返回
形成共价键后，出现一 个空穴。
空穴是多数载流子。
自由电子是少数载流子。
（3）P型半导体和N型半导体呈电中性。
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第6章 半导体二极管及整流电路
6.1.2 PN 结及其单向导电性 1、 PN 结的形成
少数载流子的漂移运动
内电场
P区
N区
多数载流子的扩散运动
图 6.4 PN 结的形成
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（1）电源变压器的二次侧电压有效值U2；
（2）整流元件所要承受的最大反向电压URM ，并 选择二极管型号。
解：（1）电源变压器的副边电压有效值为：
U2
UL 1820V 0.9 0.9
（2）二极管所承受的最大反向电压为
U RM 2 U 21 .4 1 2 0 2.2 8 V
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第6章 半导体二极管及整流电路
第6章 半导体二极管及整流电路
本章要求：
理解PN 结的形成及其单向导电性 理解半导体二极管的结构及性质 掌握半导体二极管整流电路及原理 了解常用滤波电路原理 掌握稳压管性质和稳压原理
第6章 半导体二极管及整流电路
主要内容
6.1
PN结及其单向导电性
6.1.1
半导体基础知识
6.1.2
PN结及其单向导电性
当u2处于正半周且大于电容电压uC时：
D1
u2
D4
uL
b
e
a
c d
fg
D3
D2 C
RL uC
uL
O
t
充电 放电
（a）电路图
（b）波形图
图 6.17 桥式整流滤波电路
二极管D1、D3正向偏置而导通。
电流一路流经负载电阻RL，一路对电容C充电，电容两端 电压uL与u2 相同，见图ab段。
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当2Eui E时，D2承受正向电压导通，D1承受反向电压
截止，uo E 。
R R
uui ,i ,uuo o 2E 2E
E
u ui
i
DD1 1 E
D D2
2
E
u uo
o
E E
t t
E
E
E
2E 2E
（a）电路 （a）电路
（b）波形图
（b）波形图
图图下66.一1.122页例例66.1.1图图上一页
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➢光敏性 热敏性 掺杂性
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第6章 半导体二极管及整流电路
1. 本征半导体：纯净晶体结构的半导体。
如：锗和硅。
（1）原子结构：外层有4个
+4
+4
+4 电子，形成共价键，相对稳
定。
（2）在热或光的激发下可
+4
+4
+4 产生自由电子和空穴。
（3）在电场力的作用下，
自由电子和空穴定向移动，
T RLC(3~5) 2
带电容滤波的单相桥式整流电路的输出电压：
UL 1.2U2
若采用半波整流，滤波电容应选得更大：
UL U2
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第6章 半导体二极管及整流电路
2．电感滤波电路
电感滤波就是在整流电路和负载电阻之间串联一个电感线 圈L，如图所示。
6.2
半导体二极管
6.3
二极管整流滤波电路
6.3.1
单相半波整流电路
6.3.2
单相桥式整流电路
6.3.3
滤波电路
6.3.4
稳压电路
第6章 半导体二极管及整流电路
6.1 PN 结及其单向导电性
6.1.1 半导体基础知识 定义：导电性能介于导体和绝缘体之间。 导体：电阻率 10-5—10-6 cm(mm)2，如铜、铝 半导体：电阻率≥10 cm(mm)2 ，如硅、锗 绝缘体： 106 —1010 cm(mm)2 ，如陶瓷、橡胶 性质：在不同的条件下，导电性会发生显著变化，这 使半导体的作用大大增强。
1．电容滤波电路
在整流电路的输出端与负载之间并联一个电容，利 用电容的充放电作用储存和补充电能，提高输出电压， 使负载电压趋于平滑。
D1
u2
D4
uL
b
e
a
c d
fg
D3
D2 C
RL uC
uL
O
t
充电 放电
（a）电路图
（b）波形图
图 6.17 桥式整流滤波电路
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第6章 半导体二极管及整流电路
u2正半周时：
Tr
uD
iL
D导通， uL等于u2 。
u2
uL RL
u2
O
2 3 t
b
图 6.13 单相半波整流电路
uL
u2负半周时：
O
2 3 t
D截止， uL为零 。 uL为单向脉动电压。
图 6.14 单相半波整流电压
电流波形
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第6章 半导体二极管及整流电路
u2
O
uL
2 3 t
输出电压平均值：
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第6章 半导体二极管及整流电路
例6.1 如图所示电路是由二极管构成的电路，输入电压u i为正 弦波，幅值为2E，如图中虚线所示。试分析输出电压u o的波形。
解： 当 Eui 2E时，D1承受正向电压导通，D2承受反向电 压截止，uo E ；
当 Eui E时，D1、D2均承受反向电压而截止，uo ui ；
第6章 半导体二极管及整流电路
6.2.3 几种常用的特殊二极管 1．稳压二极管
稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。 伏安特性如图：
DZ
（a）图形符号
图 6.9 稳压管
（b）特性曲线
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第6章 半导体二极管及整流电路
稳压管工作在反向击穿区。
反向特性区：反向电压在一定范围内变化时， 反向电流很小；当反向电压增高到击穿电压时，反 向电流突然剧增，稳压管击穿。
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第6章 半导体二极管及整流电路
6.2 半导体二极管
6.2.1 二极管的结构
阳极引线
阳极引线
金属触丝 N 型锗片 （a） 点接触型
铝合金小球 N 型硅
阴极引线
外壳
PN 结 金锑合金 底座
阴极引线
（b）面接触型
图6.7 半导体二极管
阳极
阴极 （c）符号
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第6章 半导体二极管及整流电路
(2) PN结反向偏置：外电场增强了内电场的作用→多
数载流子的扩散运动终止→扩散电流消失。
P区
N区
内电场
外电场
E
R
但存在少数载 流子形成的反 向漂移电流， 很小，可以忽 略不计。
图 6.6 反向偏置的 PN 结
反向偏置时， PN结截止。反向电阻很大。
(3)结论：PN结具有单向导电性，且具有电容效应。
uC 上升到u2的峰值后（图中e点）又开始下降，下降到一 定值时（图中f点），D2、D4截止，C通过RL放电，uC 按指数 规律下降；下降到一定值（图中g点），D1、D3导通，重复上 述过程。
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第6章 半导体二极管及整流电路
电容滤波的特点：输出电压较高，带载能力较差。常用于要求 输出电压较高、负载电流较小且变化也较小的场合。 为了综合考虑滤波效果和整流管的要求，一般取：
1
UL
2
0
2U2 sintd(t)
2 U2 0.45U2
O
2 3 t
图 6.14 单相半波整流电压 电流波形
二极管正向平均电流：
ID IL0.45URL2
二极管承受的最大反向电压： URM 2U2
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第6章 半导体二极管及整流电路
6.3.2 单相桥式整流电路 1、组成
四只二极管D1~D4组成两对桥臂，接成桥形。
U L 10 2 U 2si n td( t)2 2U 20 .9 U 2
通过负载电阻的平均电流：
IL
UL RL
0.9U2 RL
通过二极管的电流：
1 ID2IL
0.45U2 RL
二极管承受的最大反向电压： URM 2U2
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第6章 半导体二极管及整流电路
例6.2 单相桥式整流电路，要求输出18V的直流电压 和90mA的直流电流，试求：
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第6章 半导体二极管及整流电路
u2的负半周，当 u 2 恰好大于uC 时：
D1
u2
D4
uL
b
e
a
c d
fg
D3
D2 C
RL uC
uL
O
t
充电 放电
（a）电路图
（b）波形图
图 6.17 桥式整流滤波电路
D2、D4开始承受正向电压而导通，电容C停止放电； 随后 u2再次对C充电，如图中de段。
+4
+4
+4 成为载流子。
图 6.1 本征半导体的共价键结构
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半导体导电特 点
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第6章 半导体二极管及整流电路
2. 杂质半导体
（1）N 型半导体
Si
Si
Si
+4
+4
+4
Si
P
Si
+4
+4
Si
Si
Si
+4
+4
+4
图 6.2 N 型半导体结构示意图
在本征半导体(如：硅)中 掺入少量的5价元素磷P，晶 体结构不变，但一些位置上 的硅原子被磷原子替代。
第6章 半导体二极管及整流电路
2、PN结的单向导电性
(1) PN结正向偏置：外电场减弱内电场的作用→多数
载流子的扩散运动增强→扩散电流增强→形成连续正
向电流。
P区
N区
内电场
外电场
E
R
图 6.5 正向偏置的 PN 结
正向偏置时，PN结导通。正向电阻很小。
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第6章 半导体二极管及整流电路