半导体二极管与直流稳压电源(1)

30
3、 整流电路
利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等 ，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为 整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单 相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可 分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛 使用的是桥式整流电路。
31
（1） 单相半波整流电路
32
当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电 流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io= id。忽略二 极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压， 即uo=u2 ，输出电压uo的波形与u2相同。
死区
20 电压
-25
O 0.4
击穿 -20
电压
-40
反向 I/µA
0.8 U/V
19
6.2.2 伏安特性
1 正向特性
I/mA 80
60
正向
死区电压：
硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。
正向压降：
硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2~ 0.3伏。
40 20 -50 -25 击穿电压
反向
死区电压
O 0.4 -20
半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性
4
本征半导体就是完全纯净的半导体。
应用最多的本征半 导体为锗和硅，它们 各有四个价电子，都 是四价元素.
硅的原子结构
5
6.1.1 本征半导体
本征半导体晶体结构中的共价健结构
纯净的半导体其所有的原子基本
上以共整半价齐导键 排体列也，称Si 形为成晶晶体Si 体结构，价电所子
（3）动态电阻 rZ 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值
（4）稳定电流 IZ
（5）最大允许耗散功率 PZM 管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM
46
6.4 稳压管
+ U
_
稳压管的稳压作用 R
当U<UZ时,电路不通；当 U>UZ大于时,稳压管击穿
UZ
U0 此时
IZ
U
U R
2 反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。
3 反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。
22
6.3 二极管应用电路
主要利用二极管的单向导电性。可用 于整流、检波、限幅、元件保护以及在 数字电路中作为开关元件。
返回23
6.3 二极管应用电路
1、 二极管限幅与嵌位电路。已知输入波形画出输出波形。
N
I=0
内电场 方向
R
外电场方向
-+
PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流 ----反向电流
特点: 受温度影响大
原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的 16
2. PN结的单向导电性
结论
PN结具有单向导电性
（1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低， 正向电流较大。
（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反 向电流很小。
0.8 U/V
-40 I/µA
20
6.2.2 伏安特性
2 反向特性
I/mA 80
60
正向
反向电流： 反向饱和电流： 反向击穿电压U（BR）
40
死区电 压 20
-50 -25
O 0.4 0.8 U/V
击穿电
-20
压
-40
反向
I/µA
21
6.2.4 主要参数
1 最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。
uo
uo
5V
10V
O
π
2π
3π
4π
ωt
5V
O
π
2π
3π
4π 26 ωt
-10V
2、 二极管门电路。图中电路，输入端A的电位 VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。
电阻R接负电源-12V。
+3V A
0V B
DA DB
R -12V
解：DA优先导通， DA导通 后， DB上加的是反向电 压，因而截止。
O
π
2π
3π
4π
ωt
返回24
限幅电路的应用
限幅电路在脉冲电路中常用作波形变换，如将 正弦电压变为方波。在模拟电子设备中，限幅 电路可作保护电路。例如接收机输入端在遇到 强电压干扰时，可能造成电路不能正常工作甚 至损坏设备。若在输入端加入限幅器，则可避 免这种情况。对正常接收的信号，由于输入信 号幅度很小，限幅器并不起作用。
扩散运动和漂移运动达到动态平衡。
P
空间电荷区 N
空穴
内电场方向
自由电子
14
2. PN结的单向导电性
1 外加正向电压使PN结导通
变窄
P
N
I
内电场 方向
R
外电场方向
+–
PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流
基本是多子的扩散电流——正向电流
15
2. PN结的单向导电性
2 外加反向电压使PN结截止
P
变宽
Uo 返回48
6.4 稳压管
例2: 下图所示电路中，已知稳压管D1的稳压值为6V，D2 的稳压值为10V。试计算各电路的输出电压Uo。稳压管正 向压降为0.7V。（ Ui为足够大的直流电压）
R
Ui
D1
D2
Uo Ui
R D1
D2
（c）
（d）
解：(c) Uo=6V； (d) Uo=0.7+0.7=1.4V
电子技术 模拟电子技术：信号连续 变化
数字电子技术：信号 不连续变化、离散
1
第6章 半导体二极管与直流稳压电源
武汉工程大学
电工教研室
2 返回
目录
6.1 半导体基础知识 6.2 半导体二极管 6.3 二极管应用电路 6.4 特殊二极管 6.5 直流稳压电源
3
6.1 半导体基础知识
半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。
Si
Si
空穴是多数载流子，
自由电子是少数载
流子。
B-
Si
空穴型半导体或 P型半导体。
空穴
11
6.1.2 杂质半导体
不论N型半导体还是P型半导体， 虽然它们都有一种载流子占多数， 但是整个晶体仍然是不带电的。
返回 12
6.1.2 PN结
1. PN结的形成
P
N
空穴
自由电子
13
PN结是由扩散运动形成的,
33
当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止。此时负 载上无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压u2全部 加在二极管D上。
34
皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的， 全身性疾病，而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下：
Uo 返回49
6.4 稳压管
例2: 下图所示电路中，已知稳压管D1的稳压值为6V，D2 的稳压值为10V。试计算各电路的输出电压Uo。稳压管正 向压降为0.7V。（ Ui为足够大的直流电压）
R
R
Ui
D1
D2
Uo Ui
D1 D2
Uo
（e） 解：(e) Uo=0.7V； (f) Uo=0.7V
——晶体管名称的由来
Si
Si
6
6.1.1 本征半导体
自由电子与空穴
Si
Si
共价键中的电子
在获得一定能量
后，即可挣脱原
子核的束缚，成
Si
Si
为自由电子
同时在共价键中 留下一个空穴。
空穴
自由 电子
7
6.1.1 本征半导体
热激发与复合现象
空穴
由于受热或光照
产空征穴生在半温的自自导度运由现体由一动中定电象电中的时子-子遇--自，-和-由本
A R
D1 ui
E1
ui
B
D2 E2
在ui的正半周，当ui<E1时，D1、
D2都ui 处于反向偏置，不导通，
uo=ui。当ui>E1时，D1处于正向
偏置而导通，使输出电压uo保
u持o 在O 等于π E1值。2π 3π
4π
ωt
在uuo i的负半周，当-E2<ui<E1时， Du向o1=-、O偏EE2u1 Di置。2都而当π 处导u于i<通-反E2，π2时向使，偏3输π D置出2处而4电π 于截压正止ωut o， 保持在等于-E2值。
返回
17
6.2 半导体二极管
6.23.1 基本结构
6.2.2 外伏壳安特性触丝 N型锗片 引6线.2.3 伏安特性的折线化
6.2.4 二极管的主要参数
铝合金小球 N型硅
阳极引线
PN结 金锑合金
点接触型
阳极
阴极
表示符号
底座 阴极引线 面接触型
18
I/mA
6.2.2 8伏0 安特性
60
正向
40
半导体二极 管的伏安特性 是非线性的。 -50
例2：试判断下图所示电路中，D1和D2的状态。设 二极管正向压降为0.7V。
解：UD1o=15V> UON D1导通 UD20=-12-（-15）=3V> UON D2导通
UD10 > UD20 D1优先导通
UD20=-12-UA=-12-(-0.7）=-11.3V< UON D2截止
故 D1导通D2截止
Z
选R，使IZ<IZM
返回
47
6.4 稳压管
例1: 下图所示电路中，已知稳压管D1的稳压值为6V，D2 的稳压值为10V。试计算各电路的输出电压Uo。稳压管正 向压降为0.7V。（ Ui为足够大的直流电压）
R D1
Ui D2
Uo Ui
R D1
D2
（a）
（b）
解：(a) Uo=6+10=16V； (b) Uo=6+0.7=6.7V
38
39
40
41
42
6.4 稳压管
一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与 适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 1 稳压管表示符号：
43
2 稳压管的伏安特性： I/mA
稳压管的反向特性曲线比较陡。
3 稳压管稳压原理：
+正向
稳压管工作于反向 击穿区。稳压管击穿时，
UZ
电流虽然在很大范围内
Si
Si
电到子—空空穴穴后对，的数
目两基本者不同变热时。激消温发度 愈失高，，自称由为电复子—
Si
Si
空合穴对现数象目越多。
自由
电子
8
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6.1.1 本征半导体
半导体导电方式
载流子
空穴
加由形空正自高多愈对同导这方也属上成穴电电当由， ， 好半在因时是式在电是外 电 的子 荷半载导，导电半为存 半 的 导和 半电 子 运作的导流 电 所体导子，在 导 最 电空导压电动定运体子性以器体和温着体大原穴体时流相向动两数能，件中度空电导特理导和，；当运端目也温性，愈子电点上电金穴自而于动愈就度能，，
变化，但稳压管两端的 Δ IZ
-+
电压变化很小。利用这 一特性，稳压管在电路 中能起稳压作用。
反向 ΔUZ
0
U/V
IZ 反向击穿
是可逆的。
IZM
44
6.4 稳压管
4 主要参数 （1）稳定电压 UZ
稳压管在正常工作下管子两端的电压。
α （2）电压温度系数 U 说明稳压管受温度变化影响的系数
45
6.4 稳压管
28
例1：试判断下图所示电路中，当Ui＝3V时 哪些二极管导通？当 Ui＝0V时哪些二极管 导通？设二极管正向压降为0.7V。
D1 A
D2 D3 B
R1
Ui
D4
5V
解：当Ui＝3V时， UB=0.7V,UA=2.1V
R2
所以D1截止，D2-D4导 通。
当Ui＝0V时，D1导通， D2-D4截止。
29
25
例：在下图的（a）、（b）电路中，已知E=5V， ui=10sinωtV，二极管的正向压降可忽略不计。试画出输 出电压uo的波形。
ui
RD +
R
uo
ui
D +
uo
_E
E_
（a）
（b）
ui
解：10V对（a）图，当ui> E时，二极管导通ui ，uo= E=5V; 当ui< =E 时，二极管截止，uo =ui=10sinωt; 10V 对二（极-10OVb管）截图π止，，当u2πuo i=<uE3iπ=时10，4sπin二ω极tω;t 管导通，-10OVuo= Eπ=5V; 当2π ui>3=π E时4π， ωt
• 1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
36
（2 ） 单相桥式整流电路
单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期，同时整流 电压的脉动较大。为克服这个缺点，常采用全波整流电路，其中 最常见的是单相桥式整流电路。它是由四个二极管接成电桥的形 式构成的。
Y
VY=+2.7V
DA起钳位作用， DB起隔离作用。
27
思考题
在含有多个阳极或阴极并 联的二极管电路中，如何 判断哪些二极管导通，哪
些二极管截止？
首先假设这些二极管都处于截止状态，然 后依次判断各个二极管的阳极和阴极之 间的电压，哪个二极管阳极和阴极的电 压高，哪个二极管就优先导通；之后根 据该二极管导通之后的状态来判断其他 二极管是导通还是截止状态。
37
u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受 正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流 的路径为：a→D1→RL→D3→b，如图中实线箭头所示。 u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受 正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流 的路径为：b→D2→RL→D4→a，如图中虚线箭头所示。
Si Si
Si Si
自由 电子
的的影本响质很差大别。。
9
6.1.2 杂质半导体
N型半导体
在硅或锗的晶体中 Si
Si
掺入微量的磷（或
多余 电子
其它五价元素）。
自电由子电型子半是导多体数
P+
Si
载或流N型子半，导空体穴是
少数载流子。
10
6.1.2 杂质半导体
P型半导体
在硅或锗晶体中
掺入硼（或其它 三价元素）。