半导体与整流滤波电路.doc

半导体与整流滤波电路 一、什么是半导体 在我们日常接触的物质中，一类是电阻率很小，容易导电的金属，如金、银、铜、铝等，这类物质叫做导体；另一类是电阻率很大，几乎不导电的物质，如橡胶、陶瓷、玻璃等，这类物质叫做绝缘体，但是在自然界里面，还有一些物质，它们的导电本领即导电率， 介于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体。例如锗、硅、硒及大多数金属氧化物，都是半导体。 半导体的独特性能不在于它的电阻率大小，、而是在于它的电阻率因温度、杂质和光照将产生明显的变化。 温度对半导体的影响很大，当温度升高．半导体的导电能力会增强，温度下降时，导电能力会减弱。热敏电阻就是利用半导体这一特性制成的。 某些半导体受到光线照射时，会变得像导体似的，导电性能很强；无光照时，却又变得像绝缘体一样，不导电了。利用这一特性可制成光电二极管、光敏电阻、等。半导体最可贵的特性是掺入杂质后对导电性能的显著影响，在纯净半导体中掺入微量的杂质时，导电能力会成百万倍的增加，就是利用这个特性，制出各种不同性质、不同用途的半导体器件。如半导体二极管、三极管、可控硅等。 二、半导体二极管 1、二极管的构造 半导体二极管实际上就是由一个PN结加上两条电极引线做成管芯，并以管壳封装加固而成。从P型区的引出线称为正极或阳极，从N型区的引出线称为负极或阴极。 2、二极管的结构和类型 二极管根据不同的情况可分成以下几种类型。 从制造材料上可分为锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管等。 从用途上可分为整流二极管、开关二极管、检波二极管、发光二极管等。 从结构上可分为点接触型二极管、面接触型二极管等。点接触型二极管是由一根很细的金属丝、压在光滑的半导体薄片上构成的，经过适当的处理．在半导体薄片与金属丝的接触面附近，形成了一个PN结呈现出单向导电特性。金属丝为正极、半导体薄片为负极如附图2-2所示。 这种二极管由于金属丝和半导体的接触面很小、所以它不能通过较大的电流。但因它有极小的接触面，使得它可能在很高的频率下工作。例如；常用的点接触型二极管多用于高频检波、变频和开关电路中，有时也可用作小电流整流。 面接触型二极管，它是利用掺杂质的办法实现P型半导体与N型半导体直接接触而形成PN结的。这种二极管允许较大电流通过，多用于整流电路。其结构如附图2-3所示。 3、二极管的特性与参数 半导体二极管最主要的特性就是单向导电特性，可以用二极管的电压和电流的关系来说明，也可以用作图的方法表示出来。其中横轴表示电压，纵轴表示电流。电压、电流二者的分点都位于曲线轴的中心点O。图中也表示出二极管所加正向电压和二极管中流过的反向电流。 ⑴正向特性 二极管两端加上正向电压，就产生正向电流。正向电流只有在正向电压克服了死区电压以后才产生。这个死区电压硅管约为0.6伏，锗管约0.3伏，当电压稍稍升高一点就会引起电流急剧的增大，在这里，电流在相当大的范围内变化，而电压仍保持不变。因此，二极管的正向电流额定值可以用来标志一个二极管究竟能承受多大的功率，二极管在正向工作时，应特别注意它的正向电流不能超过允许值，以免烧坏管子。在更换二极管时应注意。 ⑵反向特性 二极管在加上反向电压时，在很大的范围内，二极管相当于非常大的电阻，只能流过很小的反向饱和电流，所谓反向饱和电流，是指反向电压增加，反向电流却基本不变。但温度却影响着它，锗管在90C以上。硅管在150C以上时，就可能导致二极管损坏，所以在选用二极管时必须加以注意。 ⑶反向击穿特性 二极管两端的反向电压增加到一定数值时，就会出现二极管的击穿现象。因此，要使用或要作为替换的二极管，其反向击穿电压必须高于在电路中可能遇到的电压值，这是十分重要的。 二极管的反向击穿特性区，其电压保持相当恒定，而电流变化很大。利用这一特性，稳压管成功的用于稳压电路中，二极管的危险区却是稳压管的工作区。 三、晶体三极管 半导体三极管通常称为晶体管能起放大、振荡、调制等多种作用，并且具有体积小、重量轻、坚固耐震、使用寿命长、耗电省等优点，因此获得了广泛的应用，自然也成为一切半导体电声设备的关键元件。我们必须对它加以认识、学习、掌握和使用。 1、晶体三极管的结构和类型 晶体三极管是由两个相距很近的PN结组成的，一般都有三个电极即发射极e、基极b和集电极c。三个电极分别与三极管内部半导体的三个区一一发射区、基区和集电区相连接，晶体三极管分为PNP和NPN两种类型。在三个区的交界面上形成两个PN结；发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。如附图2-5a所示。 NPN型和PNp型管在符号上的区别是发射极箭头的方向，它代表PN结正向接法的电流方向，因此，NPN型的发射极箭头向外。PNP型的则向内。 由于三极管在工艺制造上有如下三个特点，即发射区掺杂浓度大于基层的掺杂浓度。以利于发射载流子；集电区比发射区大，以利于集电区收集载流子；基区做的很薄，杂质也掺得少，使载流子通过基区的时间缩短，减少载流子在基区的复合。所以发射区和集电区虽然同是P型或者同是N型，但由于工艺制造上的差别．因而在使用三极管时，通常不能把发射极与集电极颠倒使用。国产的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型，二者工作原理一样，只不过在使用时电源的连接方式不同罢了。 2、晶体三极管的工作电压 三极管必须具备一定的外部条件，才能实现它的放大作用。具体的说，就是需要加上一定的工作电压。如果电源极性接错，三极管就不能正常工作，甚至会使管子损坏。 要使三极管能够起放大作用，其工作电源的接法必须是三极管的发射结加正向电压；集电结加反向电压；并且反向电压要高于正向电压。 通常把加在发射极与基极之间的电压称为基极电压或偏压，锗管一般在0.3伏左右，硅管一般在0.6伏左右。把加在发射极与集电极之间的工作电压称为“集电极电压”一般在几伏到十几伏的范围内。 3、晶体三极管的工作状态 ⑴、放大状态 当基极与发射极之间的电压（锗管一般在0.3伏左右，硅管一般在0.6伏左右）在正常值时，三极管处于放大状态。 ⑵、饱和状态当基极与发射极之间的电压大于正常值时，三极管处于饱和状态。 ⑶、截止状态当基极与发射极之间的电压小于正常值或等于零时，三极管处于截止状态。 所以说当晶体三极管工作在饱和状态与截止状态之间时，晶体三极管就是一个电子开关。 四、可控硅 可控硅又叫晶闸管、硅晶体闸流管。它不但具有硅整流器的特点，而且可以实现小功 率控制大功率的效果。可控硅有许多种类，晶闸管分为普通晶闸管和特殊晶闸管，特殊晶闸管包括双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管、场控晶闸管、光控和温控晶闸管等，由于它能承受较高的电压和电流，又是工作在开关状态，使它成为应用十分广泛的电力半导体器件。它和大功率晶体管相比，具有效率高，电流容量大，使用方便而又经济的优点，因此，使它成为可控整流，交、直流调压，无触点开关以及大功率变频调速系统中的主导器件。本章主要介绍普通晶闸管及其应用，对特殊晶闸管只做简单介绍。 1、普通晶闸管 ⑴结构 可控硅的内部结构由三个PN结、四层P1一NlP2一N2、它有三个PN结，J1、 J2和J3。三个电极半导体材料组成,如附图26a所示。其三电极分别为A阳极、K阴极、G控制极又叫门极、栅极，由Pl层引出的电极称为阳极A，N2层引出的电极称为阴极K，P2层引出的电极为控制极G，其图形符号如附图2-6b“所示。晶闸管的外形主要有螺旋式和平板式两种，如附图2-6 c、d所示。螺旋式晶闸管的阳极是紧栓在铝制散热器上，其安装、更换方便，但散热效果差，平板式晶闸管是由两个彼此绝缘的相同形状的散热器把管子的阳极与阴极紧紧夹住，散热效果好，但安装、更换管子较困难。 ⑵工作原理 将晶闸管等效成如附图2-7所示的PN结模型和三极管模型。在S断开的情况下，当阳极A与阴极K之间加正向电压时，由于J2结反偏，则晶闸管只流过很小的漏电流，晶闸管不导通称为正向阳阻断。当阳极与阴极之间加反向电压时，J1、J3结处于反偏状态，只有很小的反向漏电流，晶闸管处于关断状态，称为反向阻断。 若在阳极A与阴极K之间加上正向电压，同时在控制极G与阴极K之间加上适当的正向电压，晶闸管由截止转为导通；且在导通之后，若取消控制极正向电压，仍持导通。 其原理如下 如附图2-7，当开关S闭合时，在UG的作用下，等效的NPN管便获得偏流ib2，经放大后产生集电极电流ic2＝β2ib2β2为NPN管的电流放大系数。此NPN管的导通，就为等效的PNP管提供了偏流通道，故ic2即为PNP管的偏流ib1，经该管放大后，产生集电极电流ic1＝β1β2ib2β2为PNP管的电流放大系数，此ic2又为PNP管提供更大偏流。如此循环形成正反馈，使两管的电流迅速增大，因而晶闸管进入导通状态。这一过程表示如下 S闭合→ib2↑→ic2↑→ib1↑→ic1↑ 晶闸管导通后，再将S断开，由于有ic1作为NPN管的偏流ib2，晶闸管仍可维持导通，控制极就失去了作用。欲要使已导通的晶闸管关断，使阳极电压反接，使V1、V2管截止，晶闸管关断；如果将阳阴电压降到零或使其电流降低到一定程度维持电流，使Vl、V2管子无法工作，晶闸管也会关断。 综上所述，晶闸管导通必须同时具备两个条件晶闸管的阳极和阴极之间加正电压，控制极和阴极间加上适当的正向电压。关断条件正向电压降低到一定数值或者阳阴加反向电压使流过晶闸管的电流小于维持电流。 此外，晶闸管在无触发电压时，如果外加的正向电压过大，或正向电压上升率du／dt过大，都会使晶闸管导通。这两种现象未经控制极的控制，属失控现象，正常工作时是不允许的。 普通单向可控硅的三极判断也可以借助万用表来检测，其主要依据是根据可控硅内部结构中的C极与K极是一个PN结、A极与G极间有多个PN结、A极与K极间有多个PN结。因此，测量电阻数值时，C极与K极的极间电阻数值最小。具体操作方法是先把万用表拨到RX100档，然后测任意两引脚间电阻，当测量到很小的电阻数值时其他所测数值为无穷大，则以此测量为准，其中红表笔所接的引脚为阴极，黑表笔所接的引脚为控制极，另外一极为阳极，如附图2-8所示。 3、特殊晶闸管 ⑴、双向晶闸管TRIAC 双向晶闸管具有NPNPN五层结构，它有两个主电极A1、A2和一个控制极G，两个方向皆能控制导通。它可以等效为一对反并联的普通晶闸管，等效电路及图形符号如附图2-9所示，型号用KS表示。 双向晶闸管控制极加正负脉冲均能使其导通，但用负脉冲触发灵敏度高，故多采用G 接负脉冲、A2接正脉冲触发。双向晶闸管工作时，正反两个方向的灵敏度不同，可能会出现正负电压波形不对称现象，对此采用强触的方法解决，通常IGM最大触发电流24 IGT。 用双向晶闸管代替两个反并联的普通晶闸管，使主电路结构简化，因此，在交流调压电路中获得了广泛应用。但双向晶闸管承受电压上升率的能力较低，在应用中须采用相应的保护措施。 ⑵可关断晶闸管GTO 可关断晶闸管是一种四层三端半导体器件，其结构与伏安特性均与普通晶闸管相同，型号用KG表示。由于采用了特殊的工艺，使晶闸管工作时处于临界饱和状态。当控制极加正触发脉冲时，可使晶闸管导通，当控制极加上足够的负脉冲时，又能使导通着的晶闸管关断。加正脉冲触发导通所需的控制电流与导通前所承受的正向电压幅值有关，加负脉冲触发关断所需的反向控制电流与关断前的阳极电流大小有关，由于可关断晶闸管可以在任意时刻控制其关断，承受电流冲击能力强，工作频率高，是一种较理想的无触点开关元件，特别适用于各种高速直流开关与逆变电路。 ⑶逆导型晶闸管RCT 逆导型晶闸管是由一个晶闸管和一个反并联的二极管集成在同一硅片内的电力半导体复合器件，因此其正向特性与普通晶闸管相同，反向特性如同一个二极管的正向特性。与普通晶闸管相比具有容量大、电压高、快速性能好等优点，适用于反向不需要承受电压的场合。 ⑷场控晶闸管 场控晶闸管是MOS控制晶闸管MCT，实际上是场效应晶体管MOSFET和晶闸管并联集成的电力半导体器件，当控制极电压超过阀值电压时，在分路电阻中电流流通并接通晶闸管。这种器件既具有MOSFET的高输入阻抗，又有晶闸管的低导通压降的优点。 ⑸光控晶闸管 光控晶闸管是根据半导体材料的光敏特征制成的PNPN四层半导体器件，其外壳有透光的窗口，当光线照射到硅片上即可触发导通，其光控灵敏度与入射光的波长和阳极电压 有关，一般来说，用红外线激发灵敏度较高。阳极电压高时，可使触发所需的幅照减少，该器件有两端的，也有三端的，三端的也可用电流触发代替光触发，使得使用更加灵活。型号用GK表示。 ⑹温控晶闸管 温控晶闸管是一种新型的温度开关器件。当温度上升到设定温度以上时，温控晶闸管从关断状态变为导通状态，这时即使温度下降到设定值以下，导通状态仍可保持，直至阳极电流减少到维持电流为止。 五、整流电路 将交流电变为直流电的过程，称为整流。利用半导体二极管的单向导电性所组成的电路为整流电路。此电路简单、方便、经济。 1、单相半波整流电路 单相半波整流电路如附图2-10所示。它由电源变压器T，整流二极管V和负载电阻组成。 2、单相桥式整流电路 为了克服半波整流只有半个周期工作的缺点，多采用单相全波整流电路和单相桥式整流电路。单相全波整流电路实际上是由两个单相半波整流电路有机的组合而成。 附图2-11a是单相桥式整流电路。4个二极管接成桥型，在四个顶点中，同极性接在一起的一对顶点接向直流负载，不同极性接在 一起的一对顶点接交流电源。附图2-11b、c是桥式整流电路的另外两种画法。 3、三相整流电路 在需要大功率整流时，常采用三相整流电路，这样既可保持三相负载平衡，又能获得脉动程度更小的直流输出。常用的三相整流电路有三相半波整流和三相桥式整流两种电路，下面分别讨论。 ⑴、三相半波整流电路 附图2-12为三相半波整流电路。电源变压器原绕组通常接成三角形，这里因为整流变压器接成三角形，其三次谐波能够通过，可有效地防止脉动电压对电网的影响。副绕组必须接成星形，每相绕组中串联1个二极管，3个二极管的阴极共接于n点，负载接于on之间，o点为中性点。 ⑵、三相桥式整流电路 附图2-13为三相桥式整流电路。变压器原边接成三角形，副边接成星形。6个二极管分为两组，其中，V1、V3和V5 3个二极管的阴极连在一起d点，称为共阴极组；V2、V4和V6 3个二极管的阳极连在一起e点，称为共阳极组。负载接于de两点之间。 六、滤波电路 通过整流得到的直流电，虽然是单一方向，但脉动很大。这种直流电常用来作为电镀电解、充电设备或对直流电源要求不高的直流负载的电源。但如果用于电子设备，如电视机、计算机等，这种脉动电压中的交流成分，将对设备的工作产生严重的干扰。因此，必须在整流电路与负载之间加接能平滑脉动电压的滤波器。构成滤波器的主要元件是电容和电感，利用它们的储能作用实现滤波。 1、电容滤波器 附图2-14是接有电容滤波器的单相半波整流电路，其中与负载并联的电容器就是一个最简单的滤波器。 在u2的正半周期开始时，输入电压上升，二极管V导通，电源经二极管向负载供电的同时向电容C充电，如附图2-14a中实线箭头所示。由于二极管内阻很小，充电很快，电容器上的电压uc将随u2的上升而上升。当u2达到最大值 U2时，uc也近似地充电到 U2。以后，u2由最大值开始下降，当ucu2时，二极管承受反向电压而提前截止，于是电容C通过RL放电，如附图2-14a中虚线箭头所示。u2为负半周期时，加在二极管上的反向电压更大，二极管仍处于截止状态，所以电容仍继续向RL放电，uc也将随着放电继续下降，直到u2进入下个正半周期，且u2uc时，二极管又重新导通，电容又被充电，以后不断重复上述过程，形成了比较平稳的输出电压，其波形如附图2-14b中实线所示。图中虚线表示不接电容滤波器时输出电压波形电容滤波电路结构简单，但滤波效果与负载电阻有关。故一般用于负载电阻大且变化小的场合，在电子设备中得到了广泛应用。