電工學(xué)直流穩(wěn)壓電源

本章要求：1、了解半導(dǎo)體材料的特性、結(jié)構(gòu)、原理。2、掌握普通二極管、穩(wěn)壓二極管的特性。

3、掌握二極管應(yīng)用電路的分析方法。第八章

直流穩(wěn)壓電源4、直流穩(wěn)壓電源各環(huán)節(jié)的作用，以及相關(guān)參數(shù)計(jì)算。8.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。8.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

(1)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(2)電子空穴對(duì)

(3)空穴的移動(dòng)

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱(chēng)為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱(chēng)為價(jià)電子。它們分別與周?chē)乃膫€(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見(jiàn)圖01.01。

圖01.01硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)

（2）電子空穴對(duì)

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以?huà)昝撛雍说氖`，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱(chēng)呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)，也稱(chēng)熱激發(fā)。

可見(jiàn)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為復(fù)合，如圖01.02所示。

本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

圖01.02本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程(動(dòng)畫(huà)1-1)

(3)空穴的移動(dòng)

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過(guò)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(動(dòng)畫(huà)1-2)8.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱(chēng)電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.04所示。

圖01.04N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.05所示。圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖8.1.3PN結(jié)一、PN結(jié)的形成二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦砸?、PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱(chēng)為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。

圖01.06PN結(jié)的形成過(guò)程

PN結(jié)形成的過(guò)程可參閱圖01.06。(動(dòng)畫(huà)1-3)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結(jié)中：

P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖01.07所示。

(動(dòng)畫(huà)1-4)(2殺)掛P罷N結(jié)加福反向獸電壓正時(shí)的砌導(dǎo)電繡情況外加阻的反痕向電剛壓有萄一部眨分降夾落在PN結(jié)區(qū)企，方睜向與PN結(jié)內(nèi)指電場(chǎng)慶方向侍相同鬼，加鑒強(qiáng)了享內(nèi)電耳場(chǎng)。考內(nèi)電鍬場(chǎng)對(duì)障多子魚(yú)擴(kuò)散呼運(yùn)動(dòng)換的阻明礙增若強(qiáng)，擴(kuò)散允電流應(yīng)大大倉(cāng)減小葡。此狼時(shí)PN結(jié)區(qū)拴的少獄子在賀內(nèi)電頭場(chǎng)的作用圾下形泊成的屬漂移胸電流蒙大于擴(kuò)蠟散電畝流，穴可忽飾略擴(kuò)恐散電流惡，PN結(jié)呈厚現(xiàn)高蘋(píng)阻性鄭。在一蘿定的宣溫度萍條件謀下，由本汁征激揮發(fā)決轉(zhuǎn)定的似少子牽濃度是提一定換的，義故少瞞子形語(yǔ)成的漂花移電楚流是樸恒定劃的，貸基本上喘與所紀(jì)加反惠向電削壓的托大小無(wú)亮關(guān)，這個(gè)腹電流聾也稱(chēng)晃為反向耕飽和迎電流。PN結(jié)加腹反向黨電壓?jiǎn)蕰r(shí)的漿導(dǎo)電青情況懷如圖01濱.0樸8所示牢。(動(dòng)畫(huà)1-翅5)PN結(jié)加懲正向私電壓廣時(shí)，申呈現(xiàn)來(lái)低電嚴(yán)阻，褲具有狡較大倡的正涂向擴(kuò)撇散電剛流；PN結(jié)加吸反向林電壓謹(jǐn)時(shí)，移呈現(xiàn)各高電變阻，偽具有冶很小模的反熊向漂踏移電促流。結(jié)論滑：PN結(jié)具課有單棉向?qū)Р呻娦员?。圖01.08PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況8.劫2半導(dǎo)址體二隱極管8.喇2.視1普通獎(jiǎng)二極冒管1基本絡(luò)結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上于加上姥引線(xiàn)徒和封挎裝，次就成蘇為一妹個(gè)二裁極管燙。ＰN陽(yáng)極陰極D二極憤管按因結(jié)構(gòu)派分有點(diǎn)接翁觸型材和面羞接觸承型兩大類(lèi)趨。它刻們的抖結(jié)構(gòu)赴示意誦圖如才圖01要.1晃1所示株。(1肌)點(diǎn)接心觸型遇二極胡管—PN結(jié)面引積小定，結(jié)中電容泉小，用于黨檢波熱和變座頻等頌高頻冤電路甘。(a)點(diǎn)接觸型圖01.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(2時(shí))面接吧觸型咐二極賽管—PN結(jié)面喬積大硬，用于工除頻大賤電流武整流測(cè)電路搜。(b)面接觸型半導(dǎo)俗體二突極管寺圖片點(diǎn)接搞觸型巴半導(dǎo)大體二哀極管昌實(shí)物絞照片面接駝?dòng)|型撓半導(dǎo)鳥(niǎo)體二及極管述實(shí)物依照片圖01壤.1莊2二極傾管的謹(jǐn)伏安敘特性飛曲線(xiàn)2半導(dǎo)餐體二蠻極管墳的伏所安特況性曲僅線(xiàn)(1捏)實(shí)際吉特性★正向柿特性硅二極首管的慰死區(qū)閃電壓Uth=0院.5稈V左右昌，鍺二極推管的修死區(qū)剃電壓Uth=0械.2胞V左右市。當(dāng)0＜U＜Uth時(shí)，歪正向互電流濫為零裙，Uth稱(chēng)為眠死區(qū)且電壓武或開(kāi)里啟電斜壓。當(dāng)U＞0即處施于正包向特集性區(qū)行域。正向思區(qū)又層分為信兩段痕：當(dāng)U＞Uth時(shí)，勸開(kāi)始喪出現(xiàn)旋正向味電流鮮，并筐按指弦數(shù)規(guī)港律增四長(zhǎng)?！锓聪驀樚匦援?dāng)U＜0時(shí)，惹即處笑于反坑向特百性區(qū)港域。反向圍區(qū)也治分兩欄個(gè)區(qū)樣域：當(dāng)UBR＜U＜0時(shí)，硬反向菊電流項(xiàng)很小筒，且毛基本求不隨棚反向他電壓蛾的變回化而纏變化怨，此舌時(shí)的茅反向勤電流丑也稱(chēng)反向降飽和伴電流IS。當(dāng)U≥洞UBR時(shí)，法反向手電流噸急劇叮增加拌，UBR稱(chēng)為反向準(zhǔn)擊穿禾電壓。在反織向區(qū)提，硅坐二極狡管和衛(wèi)鍺二教極管潛的特并性有閃所不似同。硅二辰極管的反熟向擊如穿特集性比肢較硬哨、比徹較陡梨，反劇向飽雞和電賢流也新很小勇；鍺二望極管的反粗向擊泛穿特按性比己較軟泉，過(guò)沃渡比針較圓炸滑，飯反向昏飽和懼電流壯較大幣。(2)近似特性結(jié)電壓UD與二極管材料有關(guān)：硅管為0.6~0.7V，鍺管為0.2~0.3V。iDuDOUD(3)理想特性iDuDO3半導(dǎo)傳體二擱極管燙的參童數(shù)半導(dǎo)授體二扯極管鳥(niǎo)的幾睡個(gè)主檔要的延參數(shù)塌介紹消如下曬：(1水)最大巾整流甩電流IF—監(jiān)—二極嫁管長(zhǎng)譯期連渣續(xù)工作時(shí)散，允潛許通滑過(guò)二極管夏的最朝大整產(chǎn)流電流追的平碧均值滴。(2殿)反向氧擊穿推電壓UBR叼——封—和最饅大反早向工沃作電江壓UR

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓UBR。

為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓UR一般只按反向擊穿電壓UBR的一半計(jì)算。(3紐奉)反向挖電流IRm(4劑)正向健壓降UF在室遺溫下遮，在織規(guī)定胃的反誰(shuí)向電轟壓下分，一謠般是懂最大由反向名工作宗電壓者下的等反向估電流矛值。汪硅二堵極管逃的反爽向電倚流一卻般在秀納安(nA)級(jí)；逐鍺二鵲極管盞在微襪安(A)級(jí)。在規(guī)威定的張正向劫電流茂下，獄二極中管的攻正向兼電壓駛降。初小電愿流硅到二極酬管的杰正向黑壓降厚在中糧等電寄流水晝平下倚，約0.漫7V；鍺蹄二極捆管約0.君3V。（1）V1陽(yáng)=6遇V，V1陰=崖3辟V，D1導(dǎo)通暫；同遮理D2導(dǎo)通在這之里，D2起鉗好位作稿用，D1起隔籍離作染用。例1:D26V3kFD1AB已知冤：D1嶼,D院2為硅筋管（1）當(dāng)VA=3V，VB=3V時(shí)，準(zhǔn)求VF（2）當(dāng)VA=3芹V，VB=0臺(tái)V時(shí)，器求VF（2）V1陽(yáng)=6姐V，V1陰=板3別V，D1導(dǎo)通廟；？V2陽(yáng)=6銀V，V2陰=裳0賺V，D2優(yōu)先導(dǎo)通山，此假時(shí)D1截止∴VF=3斃.7男V∴VF=0凳.7核V二極施管應(yīng)駝?dòng)秒姞N路分章析ui>午5V，二鉛極管貌導(dǎo)通欣，可驗(yàn)看作牌短路uo=優(yōu)5V已知：二極管是理想的，試畫(huà)出uo

波形。5V例2：ui10V二極暗管陰饑極電慨位為5脾V，陽(yáng)博極電遣位為uiD5VRuoui++––ui<吼5V，二痰極管未截止洽，可氣看作流開(kāi)路uo=uiui>貌-5牌V，二極降管導(dǎo)名通，uo=ui已知：二極管是理想的，試畫(huà)出uo

波形。-5變V例3：ui10V二極瘡管陰屋極電承位為-5鎖V，陽(yáng)煙極電激位為uiD5VRuoui++––ui<洪-5廚V，二極鎖管截恩止，uo=-糧5V*8.毅2.蛙2光電羞二極諷管（亭光敏兆二極劈燕管）作用著：將賞光信杏號(hào)轉(zhuǎn)坊化為皮電信裹號(hào)。工作良于反稈向偏徑置狀鍵態(tài)，睡反向踢電流鳴隨光準(zhǔn)照強(qiáng)苦度的授增加吧而上牛升。RED

光電摔二極劑管電陜路RED

發(fā)光縫二極染管電潔路*8.組2.撤3發(fā)光它二極鐘管作用酷：將投電信鏟號(hào)轉(zhuǎn)授化為接光信賊號(hào)。發(fā)光烏的顏級(jí)色取夜決于限制造槳材料扇。*8.朝2.貫4光電己耦合坦器（但光電六隔離漏器）作用鄰：①演電氣歇隔離筆；②否抗干忠擾；③毒系統(tǒng)揪保護(hù)皂。輸入電路輸出電路直流貫電源出的來(lái)修源？粉？？干電敘池由交秩流市聯(lián)電變竿為直泡流電管的各泰種半拐導(dǎo)體遲電源之（直招流穩(wěn)住壓電嗎源）直流恭穩(wěn)壓畜電源伸的框員圖：交流于電源變壓森器整流濾波穩(wěn)壓負(fù)載8.火3直流油穩(wěn)壓礦電源匪的組蠶成電源送變壓似器將市菊電變閃換為副整流軍所需霜的燦交流響電壓整流近電路將交至流電盲變換培為方窩向不卷變嘴的直縱流電濾波貫電路將脈演動(dòng)直傳流電鴉變換壤為平錘滑吹的直追流電抗壓穩(wěn)壓挺電路將不戴穩(wěn)定極的直亭流電抗壓變奏換為穩(wěn)殺定直莫流電柔壓?jiǎn)蜗嗯瓢氩ǜ`整流趴電路半波喉整流妻輸入姑輸出惹電壓宇波形婦：ui0u00u1+u2_+u1

-aTbDRL+uO_O8.蘿4整流帥電路1.電路倉(cāng)組成2.工作剛原理輸出德電壓捎平均眼值(UO)：二極紙管上徹承受妻的最按高電險(xiǎn)壓：二極飽管上愿的平慘均電頌流：3.參數(shù)曲計(jì)算u1+u2_+u1

-aTbDRL+uO_O選擇銜二極月管的斯依據(jù)4.電路竭評(píng)價(jià)輸出際電流暮平均洋值(IO)：1.電路增組成2.工作桃原理分析飯前提嶼：理刻想變尿壓器顯，理餡想二磚極管U2為正半周逝：V1V2V3V4RLu0U2U1I0abaV1RLV3bV2V4截止tU0U2為負(fù)半化周：bV2RLV4aV1V3截止單相桑橋式棋整流壁電路V1V2V3V4RLu0U2U1I0ab流過(guò)鑰每只強(qiáng)二極墳管的賓平均筆電流置：二極掙管承研受的兼最高希反向牌電壓剖：因?yàn)槲雒績(jī)啥簜€(gè)二潑極管痰串聯(lián)剃輪換映導(dǎo)通鏟半個(gè)杰周期絨，因狹此，每隆個(gè)二隙極管汪中流蔥過(guò)的鄰平均鵝電流炸只有浮負(fù)載鄰電流尼的一睡半。4.電路遠(yuǎn)評(píng)價(jià)3.參數(shù)男計(jì)算＋

uO－D4

D3D1

D2RL＋u2－例有一擾單相系橋式瓦整流補(bǔ)電路揉，電冤網(wǎng)電愁壓22室0V，負(fù)載RL=5陣0Ω爽，U0=1蜓00惱V，試求尾變壓照器的包變比謠，并嶺選擇爽整流原二極膝管。解：根據(jù)選擇2CZ惜12黎D（莫3A掛，3溪00拾V）二極咳管四稱(chēng)只或坡選擇2CZ抱12孫E（擊3A暫，4繼00挺V）二極盾管四竊只據(jù)此紛選擇返二極丈管例單相嗚橋式談?wù)麒T電路如圖副，試趟回答答下列牲問(wèn)題辨：1.漏若V3管接露反，賤會(huì)有性什么巡壽情況華發(fā)生毀？此您時(shí)U0=？2.葡若V3管短搞路，淹會(huì)有駛什么漿情況薯發(fā)生娃？此畝時(shí)U0=？3.鍋若V3管開(kāi)狗路，座會(huì)有尺什么傍情況修發(fā)生繁？此努時(shí)U0=？V1V2V3V4RLu0U2U1I0ab解：1.正半退周不財(cái)通，2.正半攜周正綿常，3.正半握周不零通，負(fù)半亭周變坦壓器目被短戚路。結(jié)果愁？燒壞迷變壓所器，U0=0負(fù)半交周變爬壓器唯被短偶路。燒壞早變壓勉器，U0=0結(jié)果子？負(fù)半疲周正朋常。輸出蝦為原磨來(lái)的維一半霧，結(jié)果街？V1V2V3V4RLu0U2U1I0abC+tU0無(wú)濾波太電容愧時(shí)有濾濤波電筍容時(shí)tU0濾波電容RLC較大律時(shí)RLC較小跑時(shí)RLC適中惑時(shí)8.窮5濾波挺電路1.電路傲組成2.工作統(tǒng)原理一、撈電容狼濾波貫電路tU0無(wú)濾波目電容返時(shí)有濾紹波電敲容時(shí)tU0RLC較大逆時(shí)RLC較小升時(shí)RLC適中史時(shí)取條件縣：信號(hào)扔周期3.參數(shù)位計(jì)算流過(guò)曾每只嘉二極紀(jì)管的栗平均芹電流獸：二極李管承折受的昌最高澤反向倍電壓球：當(dāng)RL開(kāi)路嫂時(shí)，特別任注意寇！3.參數(shù)蓋計(jì)算#V1V2V3V4RLu0U2U1I0abC+例整流沉濾波豪電路飯如圖秧，負(fù)靈載RL=5蓋kΩ，開(kāi)關(guān)a閉合察、b斷開(kāi)時(shí)像，直籍流電怕壓表當(dāng)?shù)牡渥x數(shù)塵為14烘0V，求：VabVARL+1.A閉合,b斷開(kāi),求的讀數(shù)。A2.a斷開(kāi),b閉合,求的讀數(shù)。A3.ab均閉合，求的讀數(shù)。A解：最初疫相當(dāng)桶于RL開(kāi)路局，A=?0A1.2.相當(dāng)燃于整葬流電陷路A=?18殖mA3.相當(dāng)迅于濾健波電憶路A=?24瞧mA#二、兆電感首濾波父電路對(duì)直笛流分僵量:XL=賴(lài)0，大鹿部分婚整流護(hù)電壓拳降在RL上。對(duì)諧救波分代量:f越高求，XL越大犧，電短壓大些部分傳降在XL上。＋

uO－RLiOC2