电工电子技术模块6二极管的认知与应用.pptx

二极管的认知与应用项目导读二极管、三极管等半导体器件具有体积小、能耗低、寿命长、工作可靠、易集成等特点，是构成电子电路的基本部件其中二极管的应用非常广泛，利用二极管和电阻、电容、电感等元器件进行合理的组合，构成不同功能的电路，可以实现对交流电整流，对调制信号检波、限幅和钳位，以及对电源电压进行稳压等多种功能本项目将主要介绍二极管的特性、整流滤波电路的结构及原理、稳压电路及三端集成稳压器目 录CONTENTS认识二极管认识整流滤波电路认识稳压电路认识二极管我们在日常生活中常会用到插线板，上面大都安装有一个很小的电源指示灯，用来指示电源的开关状态，这种指示灯便是一种特殊的二极管发光二极管插线板电源指示灯电路如图所示，电路端口处的电压为220 V交流电，电阻R用于限流任务引入二极管作为最简单的半导体器件，同三极管、电阻、电容、电感一起，组成了我们身边形形色色的电子电路任务引入你知道二极管是如何工作的吗？它具有哪些特性呢？半导体器件都是由半导体材料制成的电阻率小于 的物质称为导体，如铜、铝、银等电阻率大于 的物质称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等。

在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗一、半导体概述1半导体的基本知识一、半导体概述1半导体的基本知识半导体本征半导体杂质半导体指完全纯净的、具有晶体结构的半导体它有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能力很低若在本征半导体中有选择地掺入少量其他元素，将会使其导电性能发生显著变化这些掺入的元素统称为杂质根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两种一、半导体概述1）N型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素磷，由于磷原子有5个价电子，当它与周围的硅原子组成共价键时，多余的一个价电子很容易摆脱原子核的束缚成为自由电子每掺入一个磷原子就能提供一个自由电子，从而使半导体中自由电子的数目大大增加，这种半导体主要靠自由电子导电，所以称为电子型半导体或N型半导体，如图所示N型半导体中，自由电子是多数载流子（即多子），空穴是少数载流子（即少子）一、半导体概述2）P型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入少量三价元素硼，由于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易填补这个空穴，形成新的空穴每掺入一个硼原子就能提供一个空穴，从而使半导体中空穴的数目大大增加，这种半导体主要靠空穴导电，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如图所示。

在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子一、半导体概述在杂质半导体中，尽管掺入的杂质很少（即掺杂浓度低），但由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数，所以，杂质半导体的导电能力要比本征半导体大得多此外，N型半导体和P型半导体都是中性的，对外不显电性如图所示，在P型半导体和N型半导体的交界处，由于P型半导体中的空穴多于自由电子，N型半导体中的自由电子多于空穴，所以，在交界面附近将产生多子的扩散运动P区的空穴向N区扩散，与N区的自由电子复合；N区的自由电子向P区扩散，与N区的空穴复合一、半导体概述2PN结的形成1）N型半导体一、半导体概述上述这种扩散运动使N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子，结果在交界面两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区在这个区域内，由于多子已扩散到对方区域并复合掉，好像耗尽了一样，因此，空间电荷区又称为耗尽层空间电荷区的形成，建立了由N区指向P区的内电场显然，内电场对多子的扩散运动起阻碍作用，故空间电荷区又称为阻挡层在出现了空间电荷区以后，内电场有助于少子的漂移运动，因此，在内电场作用下，N区的空穴向P区漂移，P区的自由电子向N区漂移，其结果是使空间电荷区变窄，内电场削弱。

一、半导体概述2）少子的漂移运动扩散运动与漂移运动是对立的，当二者的运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度便基本稳定下来这种宽度稳定的空间电荷区称为PN结3）动态平衡单向导电性是PN结的基本特性，只有在外加电压时才能显示出来当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动处于动态平衡，流过PN结的电流为0当PN结有外加电压时，根据所加电压极性的不同，PN结的导电性能会截然相反通常将加在PN结上的电压称为偏置电压偏置电压可分为正向偏置电压和反向偏置电压两种一、半导体概述3.PN结的单向导电性当外加电压的正极接PN结的P区，负极接N区时，称此电压为正向偏置电压此时的PN结处于正向偏置状态，简称正偏，如图所示一、半导体概述1）正向偏置电压由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反，因此，扩散运动与漂移运动的平衡被破坏外电场有利于扩散运动，不利于漂移运动，于是，多子的扩散运动加强，中和一部分空间电荷，使整个空间电荷区变窄，并形成较大的扩散电流，方向由P区指向N区，称为正向电流此时，PN结处于导通状态一、半导体概述1）正向偏置电压当外加电压的正极接PN结的N区，负极接P区时，称此电压为反向偏置电压。

此时的PN结处于反向偏置状态，简称反偏，如图6-5所示一、半导体概述1）反向偏置电压由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，促进了少子的漂移运动，阻碍了多子的扩散运动，使空间电荷区变宽此时，主要由少子的漂移运动形成的漂移电流将超过扩散电流，方向由N区指向P区，称为反向电流由于常温下少子的数量很少，所以反向电流很小此时，PN结处于截止状态一、半导体概述1）反向偏置电压二极管可看作是PN结的一个物化器件，PN结上具有的特性均可在二极管上反映出来二极管的结构如图所示，它可分为点接触型、面接触型和平面型三种从二极管的P区引出的电极称为阳极，从N区引出的电极称为阴极一、二极管1二极管的结构虽然二极管的本质是一个PN结，但对于实际的二极管，考虑到制作工艺的影响，其特性与PN结的理论特性略有差别一、二极管2二极管的特性二极管的电路符号如图所示一、二极管1）伏安特性二极管的伏安特性曲线如图所示根据二极管所加电压方向的不同，其伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分当二极管所加的正向偏置电压较小时，二极管呈现较大的电阻，正向电流很小，几乎为零与这一部分相对应的电压称为死区电压或阈值电压死区电压的大小与二极管的材料及温度等因素有关。

在室温下，硅管的死区电压约为0.5 V，锗管的死区电压约为0.1 V一、二极管（1）正向特性当正向偏置电压大于死区电压后，二极管呈现很小的电阻，二极管正向导通导通后，随着正向偏置电压的升高，正向电流急剧增大，电压与电流的关系基本上为一指数曲线导通后的正向压降，硅管为0.60.7 V，锗管为0.20.3 V一、二极管（1）正向特性一、二极管（2）反向特性二极管的伏安特性对温度非常敏感如图所示，温度升高，正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动在室温附近，温度每升高1，正向压降会减小22.5 mV；温度每升高10，反向电流会增大约1倍一、二极管2）温度特性二极管的参数是表征二极管的性能及其适用范围的重要指标，是选择、使用二极管的主要依据其中，主要参数有最大整流电流最大反向工作电压最大反向电流最高工作频率等一、二极管3二极管的主要参数一、二极管一、二极管一、二极管4二极管的应用二极管的应用很广，常用于钳位、限幅、整流、检波、开关等电路中，且在稳压、变容、温度补偿等方面也有应用下面主要介绍其在钳位、限幅、稳压等方面的应用一、二极管1）钳位一、二极管2）限幅利用二极管导通后，两端电压基本不变的特点（硅管约为0.7 V），可组成限幅电路，如图所示。

a）电路图一、二极管2）限幅一、二极管2）限幅一、二极管3）稳压利用二极管的正向特性，可组成正向稳压电路，如图所示一、二极管3）稳压一、二极管 此外，有一种特殊的面接触型半导体硅二极管称为稳压二极管，它正常工作在反向击穿区，利用其反向特性实现稳压作用稳压二极管的电路符号如图6-13所示，其伏安特性曲线如图6-14所示图6-13 图6-143）稳压一、二极管 稳压管二极的正向特性曲线与普通二极管类似，而当外加反向电压的数值增大到一定程度时，稳压二极管发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴所以，当电流在很大范围内变化时，稳压二极管两端的电压变化很小利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用在电路中，稳压二极管应串联一个适当的限流电阻，以避免反向电流超过其最大稳定电流，使稳压二极管形成破坏性的热击穿3）稳压任务实施二极管伏安特性的测试一、实施目的（1）加深对二极管基本特性的理解2）掌握判断二极管管脚极性和质量的方法3）能够用逐点法测试二极管的伏安特性二、实施器材直流稳压电源1台，万用表、毫安表和微安表各1块，电阻（1 k）、电位器（1 k）各1个，二极管4007一只，实验板1块，导线若干三、实施步骤（详见P174）认识整流滤波电路任务引入直流稳压电源可将交流电转换成直流电。

它的输入端是由交流电网提供的50 Hz，220 V的正弦交流电压，输出端是稳定的直流电压直流稳压电源通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如图所示任务引入在图中，变压器将常规的交流电压（220 V或380 V）变换成电路所需要的交流电压，通常情况下二次电压小于一次电压任务引入整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电；滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉，得到一个较平滑的直流电；稳压电路利用自动调整的原理，来消除由于电网电压波动、负载改变对其产生的影响，从而使输出电压稳定你知道常用的整流电路有哪些吗？滤波电路的工作原理是什么呢？一、整流电路 整流电路是利用半导体器件的单向导电性将交流电变为单方向脉动的直流电一般在电子电路中常用功率较小的单相整流电路，下面主要对其进行详细介绍整流交流电源相数的不同单相整流电路三相整流电路整流电压波形的不同半波整流电路全波整流电路一、整流电路1单相半波整流电路1）工作原理一、整流电路1）工作原理一、整流电路电路的输出波形如图所示，由图可见负载上得到单方向的脉动电压由于该电路仅在半个周期内有输出，所以称为半波整流电路1）工作原理一、整流电路2）负载上的直流电压和直流电流一、整流电路3）二极管的选择一、整流电路【例6-1】一、整流电路【例6-1解】一、整流电路单相桥式整流电路是工程中最常用的一种单相全波整流电路。

它由四只二极管组成，如图所示2单相全波整流电路一、整流电路2单相全波整流电路一、整流电路1）工作原理一、整流电路1）工作原理一、整流电路2）负载上的直流电压和直流电流一、整流电路3）二极管的选择一、整流电路3）二极管的选择可根据流过二极管的平均电流和其所承受的最高反向电压来选择二极管的型号与单相半波整流电路相比，单相桥式整流电路电源和变压器利用率高，输出电压高，电压脉动小因此，这种整流电路在工程中应用较为广泛一、整流电路【例6-2】一、整流电路【例6-2解】一、整流电路【例6-2解】一、整流电路【例6-2解】二、滤波电路利用整流电路虽然可以把交流电转变为单一方向的直流电压，但该直流电压含有较大的脉动成分，不能保证电子设备的正常工作因此，在整流电路之后还需要利用由储能元件组成的滤波电路，来减小电压中的脉动成分，使输出的电压更加平滑滤波电路电容滤波电路电感滤波电路复式滤波电路二、滤波电路1电容滤波电路二、滤波电路1）工作原理二、滤波电路1）工作原理二、滤波电路2）负载上电压的计算二、滤波电路3）元件选择（1）电容的选择二、滤波电路（2）整流二极管的选择二、滤波电路（2）整流二极管的选择二、滤波电路【例6-3解】二、滤波电路【例6-3解】二、滤波电路【例6-3解】二、滤波电路2其他滤波电路1）电感滤波电路二、滤波电路1）电感滤波电路二、滤波电路经电感滤波后，不但负载电流及电压脉动减小，而且由于滤波电感电动势的作用，使整流二极管的导通角增大。