电工学(第7章-半导体器件)

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 20 -25
0.4 -20 -40 -60
I A
0.8 U（V）
I mA
当二极管正向偏置：
80
60 40 死区 20 电压 -50 -25
死区: 当正向电压低于某一值，
硅管约0.5V，锗管约0.1V，正向 电流非常小,这一电压称死区电压Βιβλιοθήκη aDuo 无电容滤波
+
+
u2
+ C
RL
uo
-
-
0 D导通 D截止 D导通 t 电容滤波
uo
b
当u2由峰值下降：
0
D
D
t
截导
止通
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
加入滤波后， 负载上得到的直流电压的脉动情况改善，
例1： D
A +
3k
6V
UAB
12V
–
B
电路如图，求：UAB
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。
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
二极管的命名规则： 2 C P 10
2： 二极管 C： N型硅材料, A: P型锗材料 P： 普通型，K: 开关管，Z：整流管,W：稳压管 10： 序号
二极管的主要技术参数：
如何选用二极管
1）最大整流电流ICM： 二极管长期使用时,允许通过的 最大正向平均电流。
2）反向工作峰值电压URWM： 保证二极管不击穿而给出的反向电压峰值， 一般为击穿电压的1/2。
U(V) 击穿： 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 A
伏安特性
I mA
可见
80
60 40 死区 20 电压 -50 -25
开关断 –U
开关闭 U
反向击穿电 压U(BR)
0.4 -20
-40
0.8 U（V）
0 击穿 关断 死区
导通
-60
I A
理想二极管
正向压降为0 反向电阻无穷大
+
解：1. 选择整流二极管 ~
u
流过二极管的电流
–
++ C RL uo
–
ID
1 2
IO
1 2
UO RL
1 2
30 200
流过 D2 的电流为
12 ID2 3 4mA
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。
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
整流
0
t
u
0
-
Uo=0.45U2 U2=40/0.45=89V
UDRM=2U2=126V
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
全波
Uo=0.9U2 U2=40/0.9=44V 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
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？
u
~
+D2 u_
D3
D1
+ RL _uo
o
π
D4
uo
t
2π 3π 4π
o
t
π 2π 3π 4π
解：当D2或D4断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中 有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中 无电流通过，负载两端无电压， uo =0。
~
+D2 u_
D3
PN结
P
N
PN结的单向导电性
实验
P
N
P
N
I
+
R I0
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：
+–
用万用表判别二极管的正负极
黑 0 红
黑 0 红
+–
–+
半导体二极管基本结构
输出电压的平均值提高
u
2U
0
t
uo
2U
0
t
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=RC越大，
输出电压越平滑，直流电压越高。
一般取： 半波整流：RLC>=(3~5)T 全波整流：RLC>=(3~5)T/2
T为交流电压u2的周期；滤波电容一般取几十uF~几千uF， 通常采用电解电容，使用时要注意正负极性，不能接反。
D1
3k 6V
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。
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
第7章 半导体器件
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
半导体
N型半导体 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。
电容器： 又：RL= Uo/ Io
C=266uF
电容耐压为(1.5~2)U2，取50V
可选用最大整流电流100mA， 反向工作峰值电压100V 的二极管，电容为250uF，耐压50V的电解电容
例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频 率 f=50Hz，负载电阻 RL = 200，要求直流输出电 压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。
0.5 -20 -40 -60
I A
0.7 U（V）
导通： 超过死区电压后, 电流在很大范围内变化，而电压 变化很小。硅管约0.60.7V， 锗管约0.20.3V
I mA
当二极管反向偏置
80
60
40 20 -50 -25
0.4 0.8
反向击穿电 -20
压U(BR)
-40
-60
关断：
当二极管反向偏置,反向 电流很小,锗管约几十A, 小功率硅管小于1A
(二极管承受的最高反向电压 = 二极管截止时端电压最大值)
D i0
+
Tr
u2
-
+ RL u0
-
单相桥式全波整流电路
a
+
D4
u2 -
D3
b
D1 i1 D2 i2
+ RL uO
-
D1,D3导通
在u的正半周： aD1RLD3b
iD1= iD3 =iR uD1= uD3 =0
uD2= uD4 = -u2 uO= u2
D1
+ RL _uo
D4
如果D2或D4接反 则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4 或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4 或D2、D3将被烧坏。
如果D2或D4因击穿烧坏而短路 则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因 电流过大而烧坏。
a
+
D4
u2 -
D3
b
D1 i1 D2 i2
+
RL uO
-
在u的负半周: bD2RLD4a
iD2= iD4 =iR uD2= uD4 =0 uD1= uD3 = -u2 uO= u2
u 2. 波形图
a
u2 D4
0
2 3 4
D3
t
b
D1 i1 D2 i2
+
RL
uO
-
uo,io
a
uo
u2
D4
i1
i2
a
+
D4
u2 -
D3
b
D1 i1 D2 i2
+
RL
uO
-
5. 桥式整流的其它画法
+
+
u
RL uO
-
-
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
ID=I0=4A
半波
+
Tr
u2
-
+
RL uo
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
+
u1 Tr
u2
-
D i0
+ 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
图中电流、电压正方向为正弦交流电正半周的方向
2. 工作原理
Tr a D io
i1
i2
D3
0 2 3 4t b
D1 i1 D2 i2
+ RL uO
-
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
全波整流时，负载上的电压是半波时的两倍 u
1.全波整流电压的平均值为：
0
2 3 4 t
Uo 2 0.45U 2 0.9U 2
2.全波整流电流的平均值为：
uo,io uo i1 i2 i1 i2
0 2 3 4t
Io
Uo RL
0.9 U 2 RL
4. 整流二极管的选择
二极管最大整流电流：IOM
ID
1 2
IR
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： UDRM 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
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：
Uo=U2 (半波整流滤波) Uo=1.2U2 (全波整流滤波)
举例
半波整流电容滤波电路，f=50HZ, 要求输出直流电压 Uo=30V,电流Io=80mA ,估计整流二极管及电容滤波器参数。
二极管： UDRM=22Uo =85V ID=80mA 取 RLC=5T，则C=5/RLf，
b. 滤波电容耐压值的选择：
aD
+
+
u2
+ C
RL
uo
-
-
b
一般取：(1.5~2)U2
负载开路，在交流电压正半周，D导通，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，随后D截止，导致该电压一直维持。
故电容耐压应大于此值.
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
滤波电路
交流电经整流后成为单向脉动电压，要将其变为较为 平滑的直流电，可通过滤波电路来改善其脉动性。
整流
u
0
t
滤波
0
t
u
aD
电容滤波电路
uo 无电容滤波
+
+
u2
+ C
RL
uo
0 D导通 D截止 D导通 t
-
-
b
电容滤波
uo
当u2处于正半周： D导通 u2对C充电
0
D
D
t
截导
止通
(忽略二极管压降)uC（uo）跟随u2变化 u2达最大, uC （uo）也达最大
1.半波整流电压的 平均值为：
2.半波整流电流的 平均值为：
U o
1
2
0
2U 2 sin td t
2 U 2 0.45U 2
Io
Uo RL
0.45 U 2 RL
u
2U
0T
t
5 整流二极管的选择
二极管最大整流电流 IOM ： IOM ID IR
(流过二极管的电流与负载电流相等)
反向工作峰值电压URWM : UDRM 2U
在这里，二极管起钳位作用。
例2：
+ ui –
R
D 8V
ui
18V 8V
+ uo
–
已知：ui 18sin t V
二极管是理想的，试画 出 uo 波形。
参考点
t
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
❖在交流电压正半周， 电容器上电压充至交流电压最大值 2U，2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 2U 2
aD
+ uD -
+
2U2
u2
+ RL C
uo
- 2U2 -
U DRM＞2 2U2
+–
+
u
RL uo
–+
–
b
u 正半周，Va>Vb， 二极管D导通；
u 负半周，Va< Vb， 二极管D 截止 。
3. 工作波形
u
2U
O
t
uo
2U
O
uD
t
O
t
2U
只有在交流的正半周， 才有电流流过负载
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
(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。
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。
IOM=IO
b.对单相桥式带有电容滤波的整流电路, 当负载开路时
a
+
D4
u2 -