半导体二极管与直流稳压电源06.ppt

,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,武汉工程大学 电工教研室,第6章 半导体二极管与直流稳压电源,返回,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,目 录,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。,半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性,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,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中的共价健结构,6.1.1 本征半导体,自由电子与空穴,6.1.1 本征半导体,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，成为自由电子,同时在共价键中 留下一个空穴。,热激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 热激发,6.1.1 本征半导体,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,温度一定时，本征半导体中的自由电子空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多。,半导体导电方式,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,载流子,自由电子和空穴,因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。,6.1.1 本征半导体,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,6.1.2 杂质半导体,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,电子型半导体或N型半导体,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）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或P型半导体。,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,6.1.2 PN结,1. PN结的形成,PN结是由扩散运动形成的, 扩散运动和漂移运动达到动态平衡。,2. PN结的单向导电性,1 外加正向电压使PN结导通,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,2. PN结的单向导电性,2 外加反向电压使PN结截止,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,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。,返回,6.2 半导体二极管,6.3.1 基本结构 6.2.2 伏安特性 6.2.3 伏安特性的折线化 6.2.4 二极管的主要参数,6.2.1 基本结构,表示符号,6.2.2 伏安特性,半导体二极管的伏安特性是非线性的。,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。,6.2.2 伏安特性,1 正向特性,反向电流： 反向饱和电流： 反向击穿电压U（BR）,6.2.2 伏安特性,2 反向特性,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。,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。,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,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。,返回,在ui的正半周，当uiE1时，D1处于正向偏置而导通，使输出电压uo保持在等于E1值。,在ui的负半周，当-E2uiE1时，D1、D2都处于反向偏置而截止，uo=ui。当ui-E2时，D2处于正向偏置而导通，使输出电压uo保持在等于-E2值。,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。,例：在下图的（a）、（b）电路中，已知E=5V，ui=10sintV，二极管的正向压降可忽略不计。试画出输出电压uo的波形。,（a）,（b）,解：对（a）图，当ui E时，二极管导通，uo= E=5V; 当ui=E时，二极管截止，uo =ui=10sint;,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。,解：DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。,VY=+2.7V,DA起钳位作用， DB起隔离作用。,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。,思考题,例1：试判断下图所示电路中，当Ui3V时哪些二极管导通？当 Ui0V时哪些二极管导通？设二极管正向压降为0.7V。,解：当Ui3V时，UB=0.7V,UA=2.1V 所以D1截止，D2-D4导通。 当Ui0V时，D1导通，D2-D4截止。,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,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。,（1） 单相半波整流电路,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。,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。,（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。,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：aD1RLD3b，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：bD2RLD4a，如图中虚线箭头所示。,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：,IZ,UZ,2 稳压管的伏安特性：,3 稳压管稳压原理：,稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。,稳压管的反向特性曲线比较陡。,反向击穿 是可逆的。,6.4 稳压管,4 主要参数,（2）电压温度系数,稳压管在正常工作下管子两端的电压。,说明稳压管受温度变化影响的系数,6.4 稳压管,（3）动态电阻,（4）稳定电流,（5）最大允许耗散功率,rZ,稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值,IZ,PZM,管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM,6.4 稳压管,稳压管的稳压作用,当UUZ大于时,稳压管击穿,此时,选R，使IZIZM,返回,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）,返回,D1,D2,R,Uo,Ui,（a）,D1,D2,R,Ui,Uo,（b）,解：(a) Uo=6+10=16V； (b) Uo=6+0.7=6.7V,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）,返回,D1,D2,R,Uo,Ui,（c）,D1,D2,R,Ui,Uo,（d）,解：(c) Uo=6V； (d) Uo=0.7+0.7=1.4V,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）,返回,D1,D2,R,Uo,Ui,（e）,D1,R,Ui,Uo,（f）,D2,解：(e) Uo=0.7V； (f) Uo=0.7V,一、二极管电路如图所示，试判断图中的二极管是导通还是截止，并求 出AO两端电压UAO。设二极管是理想的。,先判断二极管是导通或截止,二极管的正向电压UD 是否大于导通电压UON,-6V,-12V,=6V,UON,二极管是导通,UAO,=-6V,练 习,二、判断二极管是导通或截止,二极管的正向电压UD 是否大于导通电压UON,-12V,0V,= -12V,UON,UD1=,-12V,-6V=,-6V,UON,UD2=,二极管D1截止,二极管D2截止,18,10V,2,15V,140,10,25,5,三、 试判断图题中二极管导通还是截止，为什么?,二极管的正向电压UD 是否大于导通电压UON,设UON =0.3(V),二极管截止,四、选择判断题,1、判断下列说法是否正确，用“”和“×”表示判断结果填入空内。,（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ）,（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负 电。（ ）,（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。 （ ）,（4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。（ ）,×,×,2、选择正确答案填入空内。,（1）PN结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽,（2）稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿,（3）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏,A,B,C,（4）工作在放大区的某三极管，如果当IB从12A增大到22A时，IC从1mA变为2mA，那么它的约 为 。 A. 83 B. 91 C. 100,C,（5）普 通 双 极 型 晶 体 管 是 由 。 (A)一 个PN 结 组 成 (B)二 个PN 结 组 成 (C) 三 个PN 结 组 成,（6）测 得 电 路 中 工 作 在 放 大 区 的 某 晶 体 管 三 个 极 的 电 位 分 别 为 0V、0.7V 和 4.7V， 则 该 管 为 。 (A) NPN 型 锗 管 (B) PNP 型 锗 管 (C) NPN 型 硅 管 (D) PNP 型 硅 管,（7）已 知 放 大 电 路 中 某 晶 体 管 三 个 极 的 电 位 分 别 为VE = 1.7V，VB= 1.4V ，VC = 5V， 则 该 管 类 型 为 。 (A) NPN 型 锗 管 (B) PNP 型 锗 管 (C) NPN 型 硅 管 (D) PNP 型 硅 管,B,A,D,（8）晶 体 管 的 主 要 特 点 是 具 有 。 (A) 单 向 导 电 性 (B) 电 流 放 大 作 用 (C) 稳 压 作 用,（9）晶 体 管 处 于 截 止 状 态 时， 集 电 结 和 发 射 结 的 偏 置 情 况 为 。 (A) 发 射 结 反 偏，集 电 结 正 偏(B) 发 射 结、集 电 结 均 反 偏 (C)发 射 结、集 电 结 均 正 偏 (D)发 射 结 正 偏，集 电 结 反 偏,（10）已 知 某 晶 体 管 处 于 放 大 状 态， 测 得 其 三 个 极 的 电 位 分 别 为 6V、9V 和 6.3V， 则 6V所 对 应 的 电 极 为 。 (A) 发 射 极 (B) 集 电 极 (C) 基 极,B,A,B,（11）所 谓 晶 体 管 输 出 特 性 曲 线 中 的 线 性 区 域 是 指 。 (A) 放 大 区 (B)饱 和 区 (C)截 止 区,（12） 如 果 接 在 电 路 中 某 晶 体 管 的 基 极 与 发 射 极 短 路， 则 。 (A)管 子 深 度 饱 和 (B)管 子 截 止 (C)管 子 工 作 在 放 大 状 态,（13）图 中 已 标 出 各 硅 晶 体 管 电 极 的 电 位， 判 断 处 于 截 止 状 态 的 晶 体 管 是 。,A,D,B,（6）测 得 某 一 PNP 硅 管 三 个 极 的 电 位 是：VB = 3.2V，VE = 2.5V，VC = 7V， 则 该 管 工 作 在 。 (A)线 性 放 大 状 态 (B) 饱 和 工 作 状 态(C) 截 止 工 作 状 态,（15）电 路 如 图 所 示， 晶 体 管 处 于 。 (A)线 性 放 大 状 态 (B) 饱 和 工 作 状 态(C) 截 止 工 作 状 态,A,B,五、写出下图所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。,解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V， UO62V。,六、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。求图所示电路中UO1和UO2各为多少伏。,解：UO16V，UO25V。,七、（1） 能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？,解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。,（2）现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问： （a）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？ （b）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？,解：（a）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和6V等四种稳压值。 （b）两只稳压管并联时可得0.7V和6V等两种稳压值。,八、 电路如图所示，其输入电压uI1和uI2的波形如图（b）所示，二极管导通电压UD0.7V。试画出输出电压uO的波形，并标出幅值。,九、已知图所示电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小稳定电流IZmin5mA，最大稳定电流IZmax25mA。（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；（2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？,解：（1）当UI10V时，若UOUZ 6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最 小稳定电流，所以稳压管未击穿。故,当UI15V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流IZmin，所以 UOUZ6V 同理，当UI35V时，UOUZ6V。 （2）29mAIZM25mA，稳压管将因功耗过大而损坏.,十、 电路如图（a）（b）所示，稳压管的稳定电压UZ3V，R的取值合适，uI的波形如图（c）所示。试分别画出uO1和uO2的波形。,十一、测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。,晶体管三个极分别为上、中、下管脚，答案如下表所示。,十二、分别判断下图所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。,解：（a）可能 （b）可能 （c）不能 （d）不能，T的发射结会因电流过大而损坏。 （e）可能,十三、电 路 如 图 所 示 ， 设 二 极 管，为 理 想 元 件， 试 计 算 电 路 中 电 流I1、I2的 值。,解：由D1导 通 ， D2截 止 得 I2 0， I1 (12+3)/3 mA5 mA,结 束,第 6 章,返回,