晶體二極管及整流電路

晶體二極管及整流電路第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日第二篇電子技術第8章晶體二極管及整流電路第9章晶體管放大電路第10章運算放大電路第11章晶閘管第12章門電路與組合邏輯電路第13章觸發(fā)器和時序邏輯電路第14章數(shù)/模和模/數(shù)轉換器第一篇第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日8.1半導體的基本知識8.3整流電路8.4濾波電路8.5穩(wěn)壓電路8.2半導體二極管第1頁第8章晶體二極管及其整流電路第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

物質按導電能力的不同可分為導體、半導體和絕緣體3類。日常生活中接觸到的金、銀、銅、鋁等金屬都是良好的導體，它們的電導率在105S·cm-1量級；而像塑料、云母、陶瓷等幾乎不導電的物質稱為絕緣體，它們的電導率在10-22~10-14S·cm-1量級；導電能力介于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體，它們的電導率在10-9~102S·cm-1量級。自然界中屬于半導體的物質有很多種類，目前用來制造半導體器件的材料大多是提純后的單晶型半導體，主要有硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵（GaAs)等。

8.1

半導體的基本知識第3頁第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

半導體的導電特性半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

由此可以看出：半導體不僅僅是電導率與導體有所不同，而且具備上述特有的性能，正是利用這些特性，使今天的半導體器件取得了舉世矚目的發(fā)展。2.本征半導體與雜質半導體（1）天然的硅和鍺提純后形成單晶體，稱為本征半導體一般情況下，本征半導體中的載流子濃度很小，其導電能力較弱，且受溫度影響很大，不穩(wěn)定，因此其用途還是很有限的。硅和鍺的簡化原子模型。這是硅和鍺構成的共價鍵結構示意圖晶體結構中的共價鍵具有很強的結合力，在熱力學零度和沒有外界能量激發(fā)時，價電子沒有能力掙脫共價鍵束縛，這時晶體中幾乎沒有自由電子，因此不能導電第3頁第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

當半導體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時，某些共價鍵中的價電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為自由電子，同時在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為“空穴”。空穴自由電子本征半導體中產生電子—空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。顯然在外電場的作用下，半導體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運動形成的電子電流，一是仍被原子核束縛的價電子（不是自由電子）遞補空穴形成的空穴電流。

共價鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時，相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵填補到這個空穴中來，使該價電子原來所在的共價鍵中又出現(xiàn)一個空穴，這個空穴又可被相鄰原子的價電子填補，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。在半導體中同時存在自由電子和空穴兩種載流子參與導電，這種導電機理和金屬導體的導電機理具有本質上的區(qū)別。第3頁第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

在純凈的硅（或鍺）中摻入微量的磷或砷等五價元素，雜質原子就替代了共價鍵中某些硅原子的位置，雜質原子的四個價電子與周圍的硅原子結成共價鍵，剩下的一個價電子處在共價鍵之外，很容易掙脫雜質原子的束縛被激發(fā)成自由電子。同時雜質原子由于失去一個電子而變成帶正電荷的離子，這個正離子固定在晶體結構中，不能移動，所以它不參與導電。

雜質離子產生的自由電子不是共價鍵中的價電子，因此與本征激發(fā)不同，它不會產生空穴。由于多余的電子是雜質原子提供的，故將雜質原子稱為施主原子。

摻入五價元素的雜質半導體，其自由電子的濃度遠遠大于空穴的濃度，因此稱為電子型半導體，也叫做N型半導體。在N型半導體中，自由電子為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡稱少子）；不能移動的離子帶正電。

（2）雜質半導體相對金屬導體而言，本征半導體中載流子數(shù)目極少，因此導電能力仍然很低。在如果在其中摻入微量的雜質，將使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化，我們把這些摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。雜質半導體可以分為N型和P型兩大類。

N型半導體第3頁第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日不論是N型半導體還是P型半導體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但晶體中帶電粒子的正、負電荷數(shù)相等，仍然呈電中性而不帶電。應注意：P型半導體

在P型半導體中，由于雜質原子可以接收一個價電子而成為不能移動的負離子，故稱為受主原子。摻入三價元素的雜質半導體，其空穴的濃度遠遠大于自由電子的濃度，因此稱為空穴型半導體，也叫做P型半導體。在硅（或鍺）晶體中摻入微量的三價元素雜質硼（或其他），硼原子在取代原晶體結構中的原子并構成共價鍵時，將因缺少一個價電子而形成一個空穴。當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下獲得能量時，就有可能填補這個空穴，使硼原子得電子而成為不能移動的負離子；而原來的硅原子共價鍵則因缺少一個電子，出現(xiàn)一個空穴。于是半導體中的空穴數(shù)目大量增加?？昭ǔ蔀槎鄶?shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。

第3頁第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日正負空間電荷在交界面兩側形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內電場，它對多數(shù)載流子的擴散運動起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時，內電場對少數(shù)載流子起推動作用，把少數(shù)載流子在內電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。

3.PN結

P型和N型半導體并不能直接用來制造半導體器件。通常是在N型或P型半導體的局部再摻入濃度較大的三價或五價雜質，使其變?yōu)镻型或N型半導體，在P型和N型半導體的交界面就會形成PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。

左圖所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導體。為便于理解，圖中P區(qū)僅畫出空穴（多數(shù)載流子）和得到一個電子的三價雜質負離子，N區(qū)僅畫出自由電子（多數(shù)載流子）和失去一個電子的五價雜質正離子。根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形成載流子極少的正負空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)域，這就是PN結，又叫耗盡層。第3頁第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日空間電荷區(qū)

PN結中的擴散和漂移是相互聯(lián)系，又是相互矛盾的。在一定條件（例如溫度一定）下，多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運動則逐漸增強，最后兩者達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來，PN結就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++PN結的形成演示根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形成載流子極少的正負空間電荷區(qū)（如上圖所示），也就是PN結，又叫耗盡層。

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)第3頁第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日少子漂移

擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結多子擴散

形成空間電荷區(qū)產生內電場

促使阻止第3頁第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日擴散運動和漂移運動相互聯(lián)系又相互矛盾，擴散使空間電荷區(qū)加寬，促使內電場增強，同時對多數(shù)載流子的繼續(xù)擴散阻力增大，但使少數(shù)載流子漂移增強；漂移使空間電荷區(qū)變窄，電場減弱，又促使多子的擴散容易進行。繼續(xù)討論當漂移運動達到和擴散運動相等時，PN結便處于動態(tài)平衡狀態(tài)。可以想象，在平衡狀態(tài)下，電子從N區(qū)到P區(qū)擴散電流必然等于從P區(qū)到N區(qū)的漂移電流，同樣，空穴的擴散電流和漂移電流也必然相等。即總的多子擴散電流等于總的少子漂移電流，且二者方向相反。

在無外電場或其他因素激發(fā)時，PN結處于平衡狀態(tài)，沒有電流通過，空間電荷區(qū)的寬度一定。

由于空間電荷區(qū)內，多數(shù)載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來的多數(shù)載流子復合掉了，即多數(shù)載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層，其電阻率很高，為高阻區(qū)。擴散作用越強，耗盡層越寬。

PN結具有電容效應。結電容是由耗盡層引起的。耗盡層中有不能移動的正、負離子，各具有一定的電量，當外加電壓使耗盡層變寬時，電荷量增加，反之，外加電壓使耗盡層變窄時，電荷量減小。這樣耗盡層中的電荷量隨外加電壓變化而改變時，就形成了電容效應。

第3頁第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日PN結的單向導電性1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日3.PN結的單向導電性PN結具有單向導電的特性，也是由PN結構成的半導體器件的主要工作機理。PN結外加正向電壓（也叫正向偏置）時，如左下圖所示：正向偏置時外加電場與內電場方向相反，內電場被削弱，多子的擴散運動大大超過少子的漂移運動，N區(qū)的電子不斷擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴也不斷擴散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時稱PN結處于導通狀態(tài)。第3頁第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日P端引出極接電源負極，N端引出極電源正極的接法稱為反向偏置；反向偏置時內、外電場方向相同，因此內電場增強，致使多子的擴散難以進行，即PN結對反向電壓呈高阻特性；反偏時少子的漂移運動雖然被加強，但由于數(shù)量極小，反向電流

IR一般情況下可忽略不計，此時稱PN結處于截止狀態(tài)。PN結的“正偏導通，反偏阻斷”稱為其單向導電性質，這正是PN結構成半導體器件的基礎。

第3頁第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日討論題

半導體的導電機理與金屬導體的導電機理有本質的區(qū)別：金屬導體中只有一種載流子—自由電子參與導電，半導體中有兩種載流子—自由電子和空穴參與導電，而且這兩種載流子的濃度可以通過在純凈半導體中加入少量的有用雜質加以控制。半導體導電機理和導體的導電機理有什么區(qū)別？

雜質半導體中的多子和少子性質取決于雜質的外層價電子。若摻雜的是五價元素，則由于多電子形成N型半導體：多子是電子，少子是空穴；如果摻入的是三價元素，就會由于少電子而構成P型半導體。P型半導體的共價鍵結構中空穴多于電子，且這些空穴很容易讓附近的價電子跳過來填補，因此價電子填補空穴的空穴運動是主要形式，所以多子是空穴，少子是電子。雜質半導體中的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子是怎樣產生的？為什么P型半導體中的空穴多于電子？

N型半導體中具有多數(shù)載流子電子，同時還有與電子數(shù)量相同的正離子及由本征激發(fā)的電子—空穴對，因此整塊半導體中正負電荷數(shù)量相等，呈電中性而不帶電。N型半導體中的多數(shù)載流子是電子，能否認為這種半導體就是帶負電的？為什么？

空間電荷區(qū)的電阻率為什么很高？何謂PN結的單向導電性？第3頁第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

2.半導體在熱（或光照等）作用下產生電子、空穴對，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)；電子、空穴對不斷激發(fā)產生的同時，運動中的電子又會“跳進”另一個空穴，重新被共價鍵束縛起來，這種現(xiàn)象稱為復合，即復合中電子空穴對被“吃掉”。在一定的溫度下，電子、空穴對的產生和復合都在不停地進行，最終處于一種平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)下半導體中載流子濃度一定。

1.半導體中的少子雖然濃度很低，但少子對溫度非常敏感，即溫度對半導體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質原子的濃度，所以基本上不受溫度影響。

4.PN結的單向導電性是指：PN結的正向電阻很小，因此正向偏置時電流極易通過；同時PN結的反向電阻很大，反向偏置時電流基本為零。問題探討

3.空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指它的內電場總是阻礙多數(shù)載流子（電流）的擴散運動作用，由于這種阻礙作用，使得擴散電流難以通過，也就是說，空間電荷區(qū)對擴散電流呈現(xiàn)高阻。第3頁第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日8.2

半導體二極管1.二極管的結構和類型一個PN結加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構成了半導體二極管，簡稱二極管，接在P型半導體一側的引出線稱為陽極；接在N型半導體一側的引出線稱為陰極。半導體二極管按其結構不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。點接觸型二極管PN結面積很小，因而結電容小，適用于高頻幾百兆赫茲下工作，但不能通過很大的電流。主要應用于小電流的整流和高頻時的檢波、混頻及脈沖數(shù)字電路中的開關元件等。

面接觸型二極管PN結面積大，因而能通過較大的電流，但其結電容也小，只適用于較低頻率下的整流電路中。參看二極管的實物圖第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日2、伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內保持常數(shù)。第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日二極管的單向導電性1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

普通二極管被擊穿后，由于反向電流很大，一般都會造成“熱擊穿”，熱擊穿不同于齊納擊穿和雪崩擊穿，這兩種擊穿不會從根本上損壞二極管，而熱擊穿將使二極管永久性損壞。熱擊穿問題3.二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流IDM：指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2）最高反向工作電壓URM：二極管運行時允許承受的最高反向電壓。3）反向電流IR：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向導電性越好。4.二極管的應用舉例二極管應用范圍很廣，主要是利用它的單向導電性，常用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中用作開關元件等。DTru1RLu2＋UL－

二極管半波整流電路＋u－uDAU＋F二極管鉗位電路RuOuiD1D2二極管限幅電路第3頁第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日15.4

穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZIZMUZIZ2.伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。(3)動態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其實物圖、圖符號及伏安特性如圖所示：

當反向電壓加到某一數(shù)值時，反向電流劇增，管子進入反向擊穿區(qū)。圖中UZ穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值。特殊二極管1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管實物圖

由圖可見，穩(wěn)壓管特性和普通二極管類似，但其反向擊穿是可逆的，不會發(fā)生“熱擊穿”，而且其反向擊穿后的特性曲線比較陡直，即反向電壓基本不隨反向電流變化而變化，這就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性。

穩(wěn)壓管圖符號

穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用：電流增量ΔI

很大，只會引起很小的電壓變化ΔU。曲線愈陡，動態(tài)電阻rz=ΔU/ΔI愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。一般地說，UZ為8V左右的穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻較小，低于這個電壓時，rz隨齊納電壓的下降迅速增加，使低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能變差。

穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ，低的為3V，高的可達300V，穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0.6V。

I/mA40302010-5-10-15-20（μA）正向00.40.8－12－8－4反向ΔUZΔIZU/V第3頁第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日2.發(fā)光二極管單個發(fā)光二極管實物發(fā)光二極管圖符號發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結構成，具有單向導電性。左圖所示為發(fā)光二極管的實物圖和圖符號。發(fā)光二極管是一種功率控制器件，常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列式器件；單個發(fā)光二極管常作為電子設備通斷指示燈或快速光源以及光電耦合器中的發(fā)光元件等。

3.光電二極管光電二極管也和普通二極管一樣，管芯由PN結構成，具有單向導電性。光電二極管的管殼上有一個能射入光線的“窗口”，這個窗口用有機玻璃透鏡進行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。問題討論利用穩(wěn)壓管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？

利用穩(wěn)壓管的正向壓降是不能進行穩(wěn)壓的。因為穩(wěn)壓管的正向特性與普通二極管相同，正向電阻非常小，工作在正向導通區(qū)時，正向電壓一般為0.6V左右，此電壓數(shù)值一般變化不大。第3頁第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日單相半波整流電路單相橋式整流電路整流電路第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1.單相半波整流電路二極管導通，uL=u2二極管截止,uL=0+–io+–u2>0時:u2<0時:u2uLuDt2340第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日2.單相橋式整流電路組成：由四個二極管組成橋路u2正半周時:D1

、D3導通，D2、D4截止+–（2）工作原理：u2uL第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1.電容濾波濾波電路第三十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日2.電感濾波電路電路結構:

在橋式整流電路與負載間串入一電感L。輸出電壓平均值:UL=0.9U2對諧波分量:

f

越高，XL越大,電壓大部分降在電感上。

因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。對直流分量:

XL=0相當于短路,電壓大部分降在RL上第三十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其實物圖、圖符號及伏安特性如圖所示：

當反向電壓