第6章半导体二极管及其电路.docx
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第6章半导体二极管及其电路
第6章半导体二极管及其电路
半导体二极管是较常用的电子元件,由半导体二极管构成的电路是较常见的电子电路。
本章首先简要介绍半导体的基本知识,然后介绍半导体二极管的基本结构和伏安特性,进而对半导体二极管组成的单相整流电路的作用、输出电压和输出电流的数值及波形进行讨论,最后介绍滤波电路、稳压电路的构成和作用。
6.1半导体的基本知识
6.1.1半导体
1.半导体及其导电方式
电子电路中常用的半导体二极管、三极管及运算放大器等元器件是由半导体制成的。
半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质,自然界中的硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物就是半导体。
实验发现,纯净半导体的导电性能和绝缘性能都不好,因此纯净半导体不适宜制作导体或绝缘体。
但是,如果纯净半导体周围的环境温度升高或在纯净半导体中掺入某些杂质时,则半导体的导电性能大大增强,如在纯净半导体中掺入磷、硼等元素后其导电能力增强几十万~几百万倍。
我们利用半导体的这些特性制成了光电元件、半导体二极管、三极管、场效应管、运算放大器等电子元器件。
电子元器件中用得最多的半导体原材料,是将具有四个价电子(四价元素)的硅或锗材料提纯后形成的纯净半导体,这些纯净半导体具有单晶体结构。
所谓单晶体就是所有原子按一定规律整齐排列的物质,而多晶体是指原子杂乱排列的物质。
因此,半导体又称为晶体,半导体二极管、三极管又称为晶体管。
完全纯净的、具有单晶体结构的半导体称为本征半导体。
在本征半导体(硅或锗)中,每一个原子与相邻的四个原子结合,一个原子中的一个价电子与一个相邻原子中的一个价电子组成一个电子对,构成所谓的共价键结构而使相邻的原子互相束缚。
半导体中的电子对不像绝缘体中的电子对那样被紧紧束缚,在获得一定能量(热能)后,共价键中的价电子便挣脱原子核的束缚而成为自由电子,自由电子带负电。
此时,共价键中空出的位置称为空穴,空穴带正电。
自由电子和空穴是成对出现的,它们都称为载流子。
因为,在外电场的作用下,这些带负电的自由电子会逆着电场的方向移动而形成电流,我们称之为电子导电;与此同时,这些带正电的空穴会沿着电场的方向移动而形成电流,我们称之为空穴导电。
在半导体中,同时存在着电子导电和空穴导电,这与金属导体导电有着本质的区别。
实验发现,半导体中载流子的数目与温度有关,温度越高时载流子的数目越多,半导体的导电性能越好。
因此,温度对半导体元器件的性能影响很大。
2.N型半导体和P型半导体
本征半导体的导电能力比较弱,原因是本征半导体中自由电子和空穴的数目太少。
如果在本征半导体中掺入适当的杂质,则自由电子或空穴的数目会显著增多,其导电性能会显著增强。
在硅或锗单晶体中掺入微量的五价元素磷后,由于磷原子参加共价键结构只需要四个价电子,其多余的一个价电子很容易脱离原子核的束缚而成为自由电子,如图6.1(a)所示。
于是,半导体中的自由电子数目大量增加,导电性能显著增强。
由于这种半导体的自由电子
为多数(多数载流子),空穴为少数(少数载流子),电子导电是主要的导电方式,因此将这种半导体称为电子半导体或N型半导体。
在硅或锗单晶体中掺入微量的三价元素硼后,由于硼原子参加共价键结构需要四个价电子,其缺少的一个价电子使硅或锗原子产生一个空穴,如图6.1(b)所示。
于是,半导体中的空穴数目大量增加,导电性能显著增强。
由于这种半导体的空穴为多数(多数载流子),自由电子为少数(少数载流子),空穴导电是主要的导电方式,因此将这种半导体称为自由电子半导体或P型半导体。
应该注意的是,在N型半导体和P型半导体中,虽然自由电子、自由电子分别为多数载流子,但是由于硅或锗元素以及掺入的磷或硼元素中的每一个原子原本是不带电的,因此半导体掺入杂质后仍然不带电。
6.1.2PN节及其单向导电性
采用一定的工艺,在一块单晶体的两边掺入不同的杂质,使单晶体的两边分别形成P型半导体和N型半导体,其结合部就是PN结。
在这个单晶体中,将P型半导体的一边称为P区,将N型半导体的一边称为N区。
P区的空穴浓度高,自由电子浓度低;N区的自由电子浓度高,空穴浓度低。
由于单晶体两边的载流子浓度不同,载流子会由浓度高的一边向浓度低的一边扩散,即P区的空穴向N区扩散、N区的自由电子向P区扩散,如图6.2(a)所示。
扩散后,单晶体结合部P区一边将留下一些负离子,N区一边将留下一些正离子,它们形成的电场称为空间电荷区、即PN结。
PN结中的电场称为内电场,其方向由N区指向P区,如图6.2(b)所示。
内电场有两
方面作用,一方面对多数载流子(P区的空穴和N区的自由电子)的扩散运动起阻碍作用,即内电场起阻挡作用,因此空间电荷区又称为阻挡层;另一方面却推动少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)越过空间电荷区,少数载流子在电场力作用下有规则地越过空间电荷区的运动称为漂移运动。
PN结在没有外加电压的情况下,内电场的作用使多数载流子(P区的空穴和N区的自由电子)的扩散和少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)漂移处于动态平衡,空间电荷区、即阻挡层维持在一定宽度上。
如果在PN结上加上正向电压(也称为正向偏置),即外电源的正极、负极分别与P区、N区连接,如图6.3(a)所示。
那么,内电场被方向相反的外电场削弱,阻挡层变窄,使多数载流子的扩散运动加强,形成较大的扩散电流。
这个扩散电流在外电源不断提供电荷的情况下持续地从P区流向N区,我们称之为正向电流。
此时,PN结处于正向导通状态。
如果在PN结上加上反向电压(也称为反向偏置),即外电源的负极、正极分别与P区、N区连接,如图6.3(b)所示。
那么,内电场被方向相同的外电场加强,阻挡层变宽,使多数载流子的扩散运动受到极大的阻碍,同时却使少数载流子的漂移运动得到加强,形成一定的漂移电流。
这个漂移电流持续地从N区流向P区,我们称之为反向电流。
由于反向电流是由少数载流子的漂移运动产生的,其数值不大。
此时,PN结处于反向截止状态。
温度越高时,载流子的数目越多,反向电流也越大。
可见,PN结正向偏置时导通、反向偏置时截止,PN结具有单向导电性。
6.2半导体二极管
6.2.1普通半导体二极管
1.二极管的基本结构
在PN结加上相应的电极引线和外壳就做成了半导体二极管。
由P区引出的电极称为阳极或正极,由N区引出的电极称为阴极或负极,普通半导体二极管的图形符号如图6.4(a)所示。
普通半导体二极管按结构可分为点接触型二极管和面接触型二极管两种,如图6.4(b)、(c)所示。
点接触型二极管(一般是锗管)的PN结的结面积很小、结电容很小,不能通过较大的电流,常用于高频电路的检波和小功率电路的整流,也常在数宇电路用作开关元件。
面接触型二极管(一般是硅管)的PN结的结面积较大、结电容较大,可以通过较大的正向电流,常用于中、大功率低频电路的整流。
2.二极管的伏安特性
二极管实质上就是一个PN结,它具有单向导电性,硅二极管的伏安特性如图6.5所示。
对某一给定的二极管加正向电压时,外电场的作用使PN结的空间电荷区变窄,阻挡层对多数载流子扩散运动的阻挡作用变弱。
但是,当外加正向电压很小时,由于外电场还不足以克服内电场对扩散运动的阻力,故正向电流很小,二极管处于正向截止状态。
我们将二极管外加正向电压但二极管处于截止状态的区域称为死区,硅管的死区电压约为0.5V、锗管约为0.2V。
当二极管的外加正向电压超过死区电压后,外电场完全克服内电场对扩散运动的阻力,正向电流随着正向电压的增大而快速增大,二极管处于正向导通状态。
此时,二极管的电阻很小,其正向电压降也很小,硅管的导通电压降约为0.7V,锗管的导通电压降约为0.3V。
对给定的二极管加反向电压时,外电场的作用使PN结的空间电荷区变宽,阻挡层对多数载流子扩散运动的阻挡作用变强,少数载流子的漂移运动所形成的反向电流很小,二极管处于反向截止状态。
反向电流有两个特点:
其一是它随温度的上升增长很快;其二是只要外加反向电压在一定范围内,它的大小基本上不随反向电压大小的变化而变化,因此反向电流又称为反向饱和电流。
由于硅二极管的反向电流远小于锗二极管的反向电流,因此硅二极管的温度稳定性较好。
当外加反向电压超过某一数值时,外电场的强大作用使PN结内的自由电子数目大量增加,反向电流迅速增大,这种现象称为反向击穿,此时的反向电压称为反向击穿电压,用符号
表示。
普通二极管被反向击穿后,如果PN结因过大的反向电流而烧坏,那么其原来的性能就再也不能恢复了,我们将这种情况称为热击穿。
3.二极管的主要参数
为了合理、安全地使用二极管,除了掌握二极管的伏安特性外,还应该掌握二极管的参数。
二极管的主要参数有下面几个。
(1)最大整流电流IFM
最大整流电流是指二极管长时间通过正向电流时,允许通过的最大正向平均电流。
因为过大的电流长时间通过二极管会使PN结发热甚至烧坏,所以通过二极管的正向平均电流不允许超过所规定的最大整流电流值。
点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下,面接触型二极管的最大整流电流较大、可达数百安培以上。
注意:
实际通过较大电流的二极管应加装散热器。
(2)最大反向电压URM
指保证二极管不被击穿而外加的最高反向工作电压,通常是反向击穿电压
的一半或三分之二。
一般情况下,点接触型二极管的最大反向电压为数十伏以下,面接触型二极管的最大反向电压可达数百伏。
(3)最大反向电流IRM
指二极管外加最大反向电压时的反向电流值。
反向电流值越小,说明二极管的单向导电性能越好,反向电流值受温度的影响小。
一般情况下,硅管的反向电流在几个微安以下,锗管的反向电流为硅管的几十到几百倍。
6.2.2稳压管及发光二极管
1.稳压管的伏安特性及主要参数
稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管,其掺入的杂质浓度较高、PN结较薄。
稳压管的图形符号和伏安特性曲线如图6.6所示,其正向特性与普通二极管基本相同,反向击穿段的特性很陡。
稳压管在反向击穿状态下工作时,由于反向击穿段特性很陡,尽管反向电流变化很大,稳压管两端的电压却变化很小,我们就是利用稳压管的这一特性来实现稳压的。
如果利用稳压管进行稳压时,选择一个适当的限流电阻与稳压管串联,那么可以保证反向电流不超过其最大稳定电流、PN结不会过热烧坏,即不会出现热击穿现象,稳压管的反向击穿是可逆的。
稳压管的主要参数有:
(1)稳定电压UZ
指稳压管在正常工作时,管子两端的反向电压。
手册上列出的稳定电压值是在规定的工作电流和温度下的数值。
由于制造工艺不易控制,同一型号稳压管的稳定电压值具有分散性。
例如,2CWl4的稳定电压UZ为6~7.5V,表示此型号的一些稳压管其实际稳定电压值可能为6.5V,另一些稳压管的实际稳定电压值可能为7.5V,等等。
(2)稳定电流IZ
指稳压管在正常工作时的反向电流。
(3)最大稳定电流IZM
指稳压管允许通过的最大反向电流。
稳压管应与一个适当的限流电阻串联使用,以免超过最大稳定电流而损坏稳压管。
(4)动态电阻rZ
指稳压管两端的电压变化量与相应的电流变化量的比值,即
如果稳压管的反向伏安特性曲线越陡,那么其动态电阻越小,稳压性能越好。
(5)最大允许耗散功率PZM
指不会使管子发生热击穿而损坏的最大功率损耗,它等于稳定电压与最大稳定电流的乘积,即
2.发光二极管
发光二极管简称LED,是一种固态PN结器件,利用半导体通电过程中自由电子与空穴复合时的辐射发光效应工作。
发光二极管常用砷化镓、磷化镓等材料制成,其图形符号如图6.7所示。
电流流过采用不同材料制成的发光二极管时,可以发出红、黄、绿、蓝色光。
利用发光二极管可以做成显示器件,可以单个使用;也可以用多个发光二极管做成半导体数码管,显示字母或字型。
发光二极管的工作电压(1.5~3V)和工作电流(几毫安~几十毫安)都比较低,调节工作电流时可以改变其亮度。
6.3整流电路
生产和生活中的某些方面常常用到直流电源,如电解、电镀、电池充电、电子线路、直流电动机控制系统等均需要直流电源供电。
直流发电机可以提供直流电源,但是直流发电机的初投资较大、能耗较大、所占的空间也较大,而且还有噪音,目前已经很少采用。
取而代之的是,利用半导体元器件将交流电源变换成直流电源,这一过程就称为整流。
本节主要讨论将单相交流电源变换成直流电源的整流电路,即单相整流电路。
6.3.1单相半波整流电路
单相半波整流电路是最简单的整流电路,如图6.8所示,它由整流变压器Tr、整流元件D(半导体二极管)及电阻负载RL组成。
为了分析问题方便起见,假设整流变压器和整流元件都是理想的,即忽略整流变压器的内阻抗,认为二极管D的正向电阻为零、反向电阻为无穷大。
设整流变压器副边的电压为
其波形如图6.9所示。
当变压器副边电压u2在正半周内变化时,u2的瞬时极性是上正下负,即a点的电位高于b点的单位,使二极管D承受正向电压而导通,负载电阻RL两端的电压u0与变压器副边电压u2相同,电路中的电流为i0。
当u2在负半周内变化时,u2的瞬时极性是上负下正,即a点的电位低于b点的单位,使二极管D承受反向电压而截止,负载电阻RL两端的电压u0为零,电路中的电流为零。
负载电阻RL、二极管D两端的电压及电路中的电流波形如图6.9所示。
从图中看出,整流后的负载电压、电流都是在半个周期内单向脉动的,我们用一个周期的平均值来表示它们的大小。
单相半波整流电路输出电压的平均值U0为
(6.1)
流过负载和二极管的平均电流I0为
(6.2)
U0、I0也称为整流电压、整流电流,我们可以根据其数值来选择整流二极管。
除此之外,还应考虑整流二极管截止时实际承受的最高反向电压,它必须小于整流二极管的最高反向电压
。
从图6.8看出,整流二极管截止时实际承受的最高反向电压为
。
半波整流电路结构简单,但是其输出电压脉动大,只利用了电源的半个周期因而整流变压器的利用率低。
6.3.2单相桥式整流电路
单相桥式整流电路可以克服单相半波整流电路的缺点,其电路如图6.10所示,它将四个二极管D1、D2、D3、D4接成电桥的形式。
设整流变压器副边的电压为
其波形如图6.11所示。
当变压器副边电压u2在正半周变化时,u2的瞬时极性是上正下负,即a点的电位高于b点的单位,使二极管D1、D3承受正向电压而导通,二极管D2、D4承受反向电压而截止。
这时,负载电阻RL两端的电压u0与变压器副边电压u2相同,负载电流i0的通路为a→D1→c→RL→d→D3→b→a。
当变压器副边电压u2在负半周变化时,u2的瞬时极性是上负下正,即a点的电位低于b点的单位,使二极管D1、D3承受反向电压而截止,二极管D2、D4承受正向电压而导通。
这时,负载电阻RL两端的电压u0与变压器副边电压-u2相同,负载电流i0的通路为b→D2→c→RL→d→D4→a→b。
负载电阻RL、二极管两端的电压及电路中的电流波形如图6.11所示。
从图中看出,整流后的负载电压、电流都是在一个周期内单向脉动两次,我们用一个周期的平均值来表示它们的大小。
单相桥式整流电路输出电压的平均值U0为
(6.3)
可见,输出电压的平均值比半波整流时增加了一倍。
流过负载的平均电流I0为
(6.4)
可见,负载电流的平均值也比半波整流时增加了一倍。
由于每个二极管的导通时间均为半个周期,因此流过每个二极管的平均电流ID为
(6.5)
从图6.10看出,整流二极管截止时实际承受的最高反向电压也为
。
单相桥式整流电路的其它画法如图6.12所示。
例题6.1已知直流负载要求的电压、电流分别为110V、2A,今采用单相桥式整流电路将220V的交流电整流后给负载供电。
试求:
(1)整流变压器的变比和容量。
(2)整流二极管的型号。
解:
(1)电整变压器副边电压有效值
实际上,整流变压器的内阻抗及二极管上均存在电压降,为了保证负载上的平均电压能达到U0=110V,整流变压器副边电压应比负载要求的电压U2高一些,常取110%U2=134V。
整流变压器的变比
根据式(6.4),得整流变压器副边电流有效值
整流变压器的容量
查电工手册,可以选用型号为BK300(VA)、220/150(V)的整流变压器。
(2)每个二极管的平均电流
每个二极管实际承受的最高反向电压
查电工手册,可以选用型号为2CZ11C(
)的整流二极管。
6.4滤波电路
上述单相整流电路输出的电压、电流脉动较大,需要采用滤波电路来改善波形,即将脉动的电压、电流波形变为比较平滑的波形。
6.4.1电容滤波
最简单的电容滤波器如图6.13(a)所示,即在负载两端并联一个电容器,负载两端的电压u0等于电容器的电压uC,它利用电容两端电压不能突变的原理进行滤波。
电源电压在正半周的上升段增大时,二极管承受正向电压而导通,电源同时给负载和电容器供电。
电源电压开始上升时,由于电容器两端的电压不能突变,所以负载两端的电压很小,负载电流i0很小,电源输出的电能主要是转换为电容器的储能,即给电容器充电。
由于电容器的充电回路为a→D→C→b→电源→a,其电阻较小,充电时间常数较小,因此电容器的充电过程较快。
若忽略二极管的正向压降,则充电电压uC与电源电压u2相等,其波形为图6.13(b)中的0~t1段。
当电源电压u2在t1时刻达到最大值时,电容器的电压uC也达到最大值。
电源电压在正半周的下降段减小时,电源电压u2按正弦规律下降,当u2 由于负载电阻比较大,放电时间常数较大,因此电容器的放电过程较慢。 如果负载电阻足够大,则电容器的放电时间超过电源电压正半周的下降段与整个电源电压负半周的时间之和。 放电电压uC(负载上的电压u0)的波形为图6.13(b)中的t1~t2段。 直到电源下一个正半周的上升段且u2>uC时,二极管又承受正向电压而导通,电容器又被充电,重复上述过程。 从图6.13(b)看出,采用电容滤波之后,负载电压的脉动程度大为减小,波形平滑、输出电压平均值较大。 如果采用单相桥式整流电路整流后、再进行电容滤波,则负载电压波形更接近水平直线,平均电压更大,其负载电压波形如图6.14所示。 在放电时间常数 (T为电源电压的周期)时,单相半波整流电路和单相桥式整流电路的输出电压经电容滤波后的平均值可以分别按式(6.6)、(6.7)估算 对单相半波整流电路 (6.6) 对单相桥式整流电路 (6.7) 电容滤波电路简单,负载电压波形平滑且平均值较高。 但是,负载电压的平均值随电容器放电速度的加快而减小。 当负载电阻减小时,负载电压下降较大,即外特性较差。 因此,电容滤波只用于负载变化不大的场合。 滤波电容器采用电解电容器,使用时应分清极性、不能接反,电容器的耐压值应大于电容器两端的最大正常电压值 。 6.4.2其它滤波方法 1.电感滤波 最简单的电感滤波电路如图6.15(a)所示,即在整流电路和负载电阻之间串联一个铁心线圈L,它是利用电流变化时电感线圈中产生的感应电动势总是阻碍该电流变化的原理来进行滤波的。 电源电压在正、负半周的上升段变化时,电路中的电流i0增大,线圈感应电动势阻碍电流的增大,使电流增大的速率降低。 电源电压在正、负半周的下降段变化时,电路中的电流i0减小,线圈感应电动势阻碍电流的减小,使电流减小的速率降低。 在这里,电感线圈的作用是将负载电流i0的波形压扁,起到减小电流脉动的作用,如图6.15(b)所示。 电源频率越高、电感越大时,线圈感应电动势阻碍电流i0变化的作用越大,负载电流、电压的波形越平直。 电感滤波电路简单,负载变化较大时线圈感应电动势阻碍负载电流变化的作用也越大,负载电流平均值变化很小,负载电压平均值变化也很小,即外特性较好。 但是,由于电感滤波将负载电流的波形压扁而使负载电流平均值较小。 因此,电感滤波适用于负载变化较大、负载电流较大的场合。 另外,电感滤波所使用的铁心线圈成本高、占地面积大。 2.π型滤波 π型滤波有π型LC滤波和π型RC滤波两种电路,如图6.16、图6.17所示。 π型LC滤波结合了电容滤波和电感滤波的优点,其滤波效果更好,但是因为有电容滤波作用,其外特性差一些。 π型RC滤波可以省去成本高、占地面积大的铁心线圈,人为地使引入电阻R、电容C2、电源这一回路的交流阻抗远小于电阻R、负载电阻、电源这一回路的交流阻抗,以达到整流电路输出电压的交流分量较多地降落在引入电阻R上的目的,起到滤波的作用。 R越大、C2越大时,滤波效果越好。 此电路经过C1滤波后再进行RC滤波,负载电压、电流波形都比较平直。 由于R太大将使整流输出电路中的直流电压降增加、负载上的电压平均值减小,因此这种滤波电路主要适用于负载电流较小(I0R较小)而又要求输出电压脉动很小的场合。 6.5稳压电路 由一只稳压管组成的稳压电路如图6.18所示,其中C、R、DZ分别为滤波电容、限流电阻和稳压管,稳压管处于反向击穿状态。 当交流电源电压u2增加时,整流电路输出电压U0增加、负载电压UL也增加。 从稳压管的反向击穿特性曲线知道,稳压管处于反向击穿状态时,其两端电压稍有增加将会引起流过稳压管的反向电流显著增大。 稳压管的电流IZ因负载电压UL(也是稳压管两端的电压UZ)的增加而显著增大,使整流电路输出电流I0增大,电阻R上的电压降I0R增大,迫使负载电压UL减小,负载电压变化不大。 反之,当交流电源电压u2减小时,整流电路输出电压U0减小、负载电压UL也减小。 稳压管的电流IZ和整流电路输出电流I0减小,电阻R上的电压降I0R减小,迫使负载电压UL增加,负载电压变化不大。 可见,此电路是利用稳压管处于反向击穿状态时、其两端电压的微小变化,会引起流过稳压管电流显著变化的特点,通过电阻R上电压降的相应变化来保证负载电压的基本不变。 稳压管的稳定电压和最大稳定电流可以按以下式子选择 (6.8) (6.9) 式中,ILmax为负载电流的最大值。 限流电阻R的阻值及功率可以按以下式子计算 (6.10) (6.11) 式中,U0max、U0min分别为整流电路输出电压的最大值、最小值。 整流电路输出电压可以按下式选择 (6.12) 例题6.2有一稳压电路如图6.18所示。 负载电阻RL由开路变化到3KΩ,若要求负载电压UL=15V,试选择稳压管和限流电阻。 解: (1)最大负载电流 稳压管的最大稳定电流 稳压管的稳定电压 查电工手册,选择型号为2CW20(UZ=13.5~17V、IZ=5mA、IZM=15mA)的稳压管。 (2)考虑交流电源电压的变化范围为-10%~+5%时,根据U0=(2~3)UL可以得整流电路输出电压最大值、最小值 限流电阻的阻值 限流电阻的功率 查电工手册,选择标称电阻值为2.4KΩ、功率为0.5W的电阻。 习题6 6.1什么是本征半导体,什么是P型半导体和N型半导体? 6.2PN结两端加正向电压或反向电压时,参与导电的是多数载流子还是少数载流子? 6.3什么是死区电压? 硅管和锗管的死区电压约为多少? 6.4如何利用稳压管实现稳压? 6.5有一个单相整流电路,负载电阻为2KΩ。 当整流变压器副边的电压有效值为60V时,试求: 整流电路的输出电压;负载电流及二极管的电流。 6.6有一个单相整流电路,负载电阻为350Ω,若要求负载电压为20V。 试求: 整流变压器副边的电压有效值;二极管的电流及最高反向工作电压。
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