华东理工大学电工学第7章半导体器件

二极管的伏安特性曲线
二极管的伏安特性曲线指流过 二极管的电流与二极管两端的 电压之间的关系。 不同二极管的伏安特性曲线 有差别，但形状相似： -50 特点：非线性
I (mA
80 60 40 -25 20 0.4 -20 -40 -60 0.8
)
U （ V）
I (μ A )
I (mA
80 60 40 -50 -25 20 死区 电压
U0=0.9U2 U2=40/0.9=44V
例2：试分析图示桥式整流电路中的二极管D2 或D4 断开时负 载电压的波形。如果D2 或D4 接反，后果如何？如果D2 或D4因 击穿或烧坏而短路，后果又如何？
D2 D1
u
+ o RL uo _ uo o
π
2π 3π
~
+ u _
4π
ωt ωt
D3
D4
π
2π
+
u0
b
⊕
u2 -
-
在u的负半周: b→D2→RL→D4→a
iD2= iD4 =iR uD2= uD4 =0 uD1= uD3 = -u2 u O= u 2
u
2. 波形图
π
2π 3π 4π
⊕
u2
D4 D3 b a
a
D1 i 1 RL D2 i2
+ u0 -
0
ωt
uo,io uo i1 0 i2 i1 i2
N型半导体
半导体
P型半导体 通过一定的工艺，使半导体一部分是P型， 一部分N型，则中间交接面形成PN结。
PN结 P N
实验
PN结的单向导电性
P
I
N
P R
I≈0
N
+
+
R
PN结正向偏置时，导通电流大，电阻小，称导通 PN结反向偏置时，导通电流小，电阻大，称截止
二极管由PN结加上引出线和壳体构成， P极引出线称正极，N极引出线称负极。符号为： +
二极管承受的最高反向电压 = 二极管截止时端电压最大值
a
+ u2 b
D1 i 1 D4 D3 D2 i2 RL
+ u0 -
5. 桥式整流的其它画法
+ u RL
+ u0 -
举例
有一负载需直流电压U0=40V，I0=4A，计算采用半波和全波整流电 路时，整流二极管的电流ID和最高反向电压UDRM及电源变压器次级 电压U2 D i0
3）二极管的选择（考虑UDRM）： a.对单相半波带有电容滤波的整流电路，当负载开路时 在交流电压正半周， 电容器上电压充至交流电压最大值√2U2，由于负载开路， 电容器不能放电，该电压一直维持。
在交流电压的负半周， 截止二极管上承受的反向电压为交流电压的 最大值√2U2 与电容器上电压√2U2之和，即2 √2U2
I (mA )
80 60 40 -50 -25 20 0.4
反向击穿电 -20 压U(BR)
当二极管反向偏置 关断： 当二极管反向偏置,反向 电流很小,锗管约几十μA, 小功率硅管小于1μA
0.8
U(V) 击
-40 -60
穿： 当反向电压加大到某一值， 反向电流突然急剧增大， 二极管击穿烧坏。
I (μ A )
D1 i 1 D4 D3 D2 i2 RL
u2
+ u0 -
π
2π 3π 4πω t
b
⊕
无论u正/负半周，负载上均有方向相同的电流通过，称:全波整流
3. 负载上电压电流的计算 u 全波整流时，负载上的电压是半波时的两倍 1.全波整流电压的平均值为： 0
π
2π 3π 4π
ωt
U o = 2 × 0.45U 2 = 0.9U 2
电路 单相半波整流 单相桥式整流 无电容滤波 有电容滤波
2U 2U 2 2U 2U
负载上的直流电压 接入滤波电容后，负载直流电压升高，通常取：
π
U 2 = 0.45U 2
u
2U
0
T
ωt
5 整流二极管的选择 二极管最大整流电流 IOM ： I OM ≥ I D = I R
(流过二极管的电流与负载电流相等)
反向工作峰值电压URWM : D i 0 + Tr u2 RL
U DRM = 2U
(二极管承受的最高反向电压 = 二极管截止时端电压最大值)
UAB – B
V阳 =－6 V V阴 =－12 V V阳>V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 在这里，二极管起钳位作用。
例 2：
+ ui –
R D 8V + uo –
已知：ui = 18sinω t V 二极管是理想的，试画 出 uo 波形。
–
用万用表判别二极管的正负极 黑 ∞ Ω
0
红
黑 ∞
Ω
0
红
+
–
–
+
半导体二极管基本结构
(a) 点接触型 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。 (b)面接触型 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。
2.全波整流电流的平均值为： uo,io
Uo U2 Io = = 0.9 RL RL
uo i1 i2 i1
3π
i2
4π ω t
0
π
2π
4. 整流二极管的选择 1 I OM ≥ I D = I R 二极管最大整流电流： 2
由于D1~D4轮流导通，流过每个二极管的电流平均值只有负载电流的一半
反向工作峰值电压： U DRM = 2U
加入滤波后， 负载上得到的直流电压的脉动情况改善， 输出电压的平均值提高 u
2U
O
uo
2U
O
ωt
ωt
电路元器件的选择
1 ) 滤波电容的选择 a. 电容值的选择 滤波电容越大，负载电阻R越大，放电时间常数τ=RC越 大，输出电压越平滑，直流电压越高。 半波整流：RLC>=(3~5)T 全波整流：RLC>=(3~5)T/2
下篇
电子技术
二极管及整流电路 三极管及放大电路 晶闸管及其应用 集成运算放大器
半导体二极管及整流电路
半 导 体
导电能力介于导体和绝缘体之间。
硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物均为半导体。 纯净半导体导电能力不强，加入杂质后，导电能力 增强。利用该特性，制成半导体二极管、三极管、 晶闸管等。
PN结
+
Tr u2
RL
+ -
u0
半波 ID=I0=4A U0=0.45U2 U2=40/0.45=89V UDRM=√2U2=126V 全波
-
选择时，可选其最大整流电流5A，反向工作峰值电压200V
ID=(1/2)I0=2A UDRM=√2U2=63V
选择时，可选其最大整流电流3A，反向工作峰值电压100V
二极管的用途
整流、检波、限幅、 钳位、开关、 元件保护、 温度补偿等。
二极管整流电路
将交流电变为脉动的直流电的过程，称整流 利用二极管的单向导电性可实现整流 变压
u 0 t
整流
u 0 t
分析时可把二极管当作理想元件处理： 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。
单相半波整流电路
1. 电路结构 D i 0 u1 + Tr u2 RL + u0 元器件： u2 为正弦交流电源， D 为二极管 R 为负载电阻 Tr 为变压器
4 负载上电压电流的计算
通过半波整流，负载上得到大小变化的单极性电压，称脉动电 压，常用一个周期内脉动电压的平均值来描述脉动电压的大小
1.半波整流电压的 平均值为：
1 Uo = 2π = 2
2.半波整流电流的 平均值为：
Uo U2 Io = = 0.45 RL RL
∫
π
0
2U 2 sin ωtd (ωt )
V1阳 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 V UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V 流过 D2 的电流为 I D 2
12 = = 4mA 3
D1承受反向电压为－6 V
在这里， D2 起 钳位作用， D1起 隔离作用。
D 导 通
ωt
→(忽略二极管压降)→uC（u0）跟随u2变化→ u2达最大, uC （u0）也达最大
a + u2 b
D + u0 -
u0
无电容滤波
ωt
0 D导通 D截止 D导通
u0
+ R L C
电容滤波
ωt
当u2由峰值下降：
0
D 截 止
D 导 通
电容较慢放电 (放电回路时间常数大) u2按正弦规律较快下降 当u2<uC，D截止 → uc继续对R放电→直至u2到达另一正半周的u2>uC， D重新导通
ui 18V 8V
参考点
ωt
二极管阴极电位为 8 V ui > 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui
例3:
D2 D1 6V 3kΩ 12V
求：UAB 两个二极管的阴极接在一起 A + 取 B 点作参考点，断开二极 UAB 管，分析二极管阳极和阴极 – B 的电位。