晶体二极管及整流电路

8.1半导体的基本知识8.3整流电路8.4滤波电路8.5稳压电路8.2半导体二极管第1页第8章晶体二极管及其整流电路第一页，共36页。物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在105S·cm-1量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在10-22~10-14S·cm-1量级；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在10-9~102S·cm-1量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓（GaAs)等。8.1半导体的基本知识第3页第二页，共36页。半导体的导电特性半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强第三页，共36页。由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。2.本征半导体与杂质半导体（1）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为本征半导体一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。硅和锗的简化原子模型。这是硅和锗构成的共价键结构示意图晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电第3页第四页，共36页。当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空穴自由电子本征半导体中产生电子—空穴对的现象称为本征激发。显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如右图所示。在半导体中同时存在自由电子和空穴两种载流子参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。第3页第五页，共36页。在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元素，杂质原子就替代了共价键中某些硅原子的位置，杂质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参与导电。杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，因此与本征激发不同，它不会产生空穴。由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子称为施主原子。掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称为电子型半导体，也叫做N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）；不能移动的离子带正电。（2）杂质半导体相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体可以分为N型和P型两大类。N型半导体第3页第六页，共36页。不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。应注意：P型半导体在P型半导体中，由于杂质原子可以接收一个价电子而成为不能移动的负离子，故称为受主原子。掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。在硅（或锗）晶体中掺入微量的三价元素杂质硼（或其他），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子而成为不能移动的负离子；而原来的硅原子共价键则因缺少一个电子，出现一个空穴。于是半导体中的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。第3页第七页，共36页。正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场，称为内电场，它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。同时，内电场对少数载流子起推动作用，把少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。3.PN结P型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型或P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或N型半导体，在P型和N型半导体的交界面就会形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。左图所示的是一块晶片，两边分别形成P型和N型半导体。为便于理解，图中P区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是PN结，又叫耗尽层。第3页第八页，共36页。空间电荷区PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++PN结的形成演示根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如上图所示），也就是PN结，又叫耗尽层。P区N区空间电荷区第3页第九页，共36页。少子漂移扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结多子扩散形成空间电荷区产生内电场促使阻止第3页第十页，共36页。扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散使空间电荷区加宽，促使内电场增强，同时对多数载流子的继续扩散阻力增大，但使少数载流子漂移增强；漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又促使多子的扩散容易进行。继续讨论当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。可以想象，在平衡状态下，电子从N区到P区扩散电流必然等于从P区到N区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反。在无外电场或其他因素激发时，PN结处于平衡状态，没有电流通过，空间电荷区的宽度一定。由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区。扩散作用越强，耗尽层越宽。PN结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。第3页第十一页，共36页。PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–第十二页，共36页。2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第十三页，共36页。PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第十四页，共36页。3.PN结的单向导电性PN结具有单向导电的特性，也是由PN结构成的半导体器件的主要工作机理。PN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，N区的电子不断扩散到P区，P区的空穴也不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。第3页第十五页，共36页。P端引出极接电源负极，N端引出极电源正极的接法称为反向偏置；反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进行，即PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流IR一般情况下可忽略不计，此时称PN结处于截止状态。PN结的“正偏导通，反偏阻断”称为其单向导电性质，这正是PN结构成半导体器件的基础。第3页第十六页，共36页。讨论题半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别：金属导体中只有一种载流子—自由电子参与导电，半导体中有两种载流子—自由电子和空穴参与导电，而且这两种载流子的浓度可以通过在纯净半导体中加入少量的有用杂质加以控制。半导体导电机理和导体的导电机理有什么区别？杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子。若掺杂的是五价元素，则由于多电子形成N型半导体：多子是电子，少子是空穴；如果掺入的是三价元素，就会由于少电子而构成P型半导体。P型半导体的共价键结构中空穴多于电子，且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补，因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式，所以多子是空穴，少子是电子。杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎样产生的？为什么P型半导体中的空穴多于电子？N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子—空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。N型半导体中的多数载流子是电子，能否认为这种半导体就是带负电的？为什么？空间电荷区的电阻率为什么很高？何谓PN结的单向导电性？第3页第十七页，共36页。2.半导体在热（或光照等）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会“跳进”另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子空穴对被“吃掉”。在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定。 1.半导体中的少子虽然浓度很低，但少子对温度非常敏感，即温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温度影响。4.PN结的单向导电性是指：PN结的正向电阻很小，因此正向偏置时电流极易通过；同时PN结的反向电阻很大，反向偏置时电流基本为零。问题探讨3.空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就是说，空间电荷区对扩散电流呈现高阻。第3页第十八页，共36页。8.2半导体二极管1.二极管的结构和类型一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧的引出线称为阳极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小，因而结电容小，适用于高频几百兆赫兹下工作，但不能通过很大的电流。主要应用于小电流的整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。面接触型二极管PN结面积大，因而能通过较大的电流，但其结电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。参看二极管的实物图第十九页，共36页。2、伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。第二十页，共36页。二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。第二十一页，共36页。二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若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例1：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。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–第二十三页，共36页。普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成“热击穿”，热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿，这两种击穿不会从根本上损坏二极管，而热击穿将使二极管永久性损坏。热击穿问题3.二极管的主要参数1）最大整流电流IDM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最高反向电压。3）反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。4.二极管的应用举例二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。DTru1RLu2＋UL－二极管半波整流电路＋u－uDAU＋F二极管钳位电路RuOuiD1D2二极管限幅电路第3页第二十四页，共36页。15.4稳压二极管1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO第二十五页，共36页。3.主要参数(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。第二十六页，共36页。光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加符号发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几~几十mA光电二极管发光二极管第二十七页，共36页。稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏安特性如图所示：当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。图中UZ稳压管的稳定电压值。特殊二极管1.稳压管稳压管实物图由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压管图符号稳压管的稳压作用：电流增量ΔI很大，只会引起很小的电压变化ΔU。曲线愈陡，动态电阻rz=ΔU/ΔI愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，UZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时，rz随齐纳电压的下降迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。稳压管的稳定电压UZ，低的为3V，高的可达300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。I/mA40302010-5-10-15-20（μA）正向00.40.8－12－8－4反向ΔUZΔIZU/V第3页第二十八页，共36页。2.发光二极管单个发光二极管实物发光二极管图符号发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发光元件等。3.光电二极管光电二极管也和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。问题讨论利用稳压管的正向压降，是否也可以稳压？利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的。因为稳压管的正向特性与普通二极管相同，正向电阻非常小，工作在正向导通区时，正向电压一般为0.6V左右，此电压数值一般变化不大。第3页第二十九页，共36页。单相半波整流电路单相桥式整流电路整流电路第三十页，共36页。1.单相半波整流电路二极管导通，uL=u2二极管截止,uL=0+–io+–u2>0时:u2<0时:u2uLuDt2340第三十一页，共36页。2.单相桥式整流电路组成：由四个二极管组成桥路u2正半周时:D1、D3导通，D2、D4截止+–（2）工作原理：u2uL第三十二页，共36页。1.电容滤波滤波电路第三十三页，共36页。2.电感滤波电路电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感L。输出电压平均值:UL=0.9U2对谐波分量:f越高，XL越大,电压大部分降在电感上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。对直流分量:XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上第三十四页，共36页。稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏安特性如图所示：当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。图中UZ稳压管的稳定电压值。稳压电路稳压管稳压管实物图由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压管图符号稳压管的稳压作用：电流增量ΔI很大，只会引起很小的电压变化ΔU。曲线愈陡，动态电阻rz=ΔU/ΔI愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，UZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时，rz随齐纳电压的下降迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。稳压管的稳定电压UZ，低的为3V，高的可达300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。I/mA40302010-5-10-15-20（μA）正向00.40.8－12－8－4反向ΔUZΔIZU/V第3页第三十五页，共36页。注意：稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。稳压管在应用中要采取适当的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 限制通过管子的电流值，以保证管子不会造成热击穿。稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。（3）动态电阻rZ：稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ（4）耗散功率PZM和最大稳定电流IZM。额定耗散功率PZM是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。IZM是指稳压管允许通过的最大电流。二者关系可写为：PZM=UZIZM讨论回顾二极管的反向击穿时特性：当反向电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急剧增加。击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。在反向击穿状态下，让流过管子的电流在一定的范围内变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可以达到“稳压”的效果。稳压管是怎么实现稳压作用的？第3页第三十六页，共36页。