半導(dǎo)體二極管與整流電路課件

第9章半導(dǎo)體二極管與整流電路9.3半導(dǎo)體二極管9.4特殊二極管9.5二極管整流電路9.2PN結(jié)9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本章要求：

1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

2.了解二極管、穩(wěn)壓管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；

3.會分析含有二極管的電路。

學(xué)會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結(jié)果。

對電路進(jìn)行分析計算時，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過分追究精確的數(shù)值。器件是非線性的、特性有分散性、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。

對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應(yīng)用。9.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)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(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強9.1.1

本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。空穴溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運動（相當(dāng)于正電荷的移動）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。9.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。9.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba9.2PN結(jié)9.2.1

PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)9.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P接正、N接負(fù)外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負(fù)、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)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。IR

P接負(fù)、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(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡擴散強漂移運動增強內(nèi)電場增強兩者平衡PN結(jié)寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴散強漂移強PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)截止9.3

半導(dǎo)體二極管9.3.1基本結(jié)構(gòu)(a)點接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型圖1–12半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D二極管的伏安特性

所謂二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。二極管既然是一個PN結(jié)，它當(dāng)然具有單向?qū)щ娦?，所以其伏安特性曲線如圖所示。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020

由圖中可見，二極管的伏安特性是非線性的，大致可分為四個區(qū)——死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)和反向擊穿區(qū)。死區(qū)

由圖可見當(dāng)外加正向電壓很低時，由于外電場還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子(除少量較大者外)擴散運動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱為死區(qū)。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.2V。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)

當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，當(dāng)電壓再繼續(xù)增加時，電流將急劇增加，而二極管的電壓卻幾乎不變，此時二極管的電壓稱為正向?qū)▔航?。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020硅管正向?qū)▔航禐?.6~0.8V，鍺管的正向?qū)▔航禐?.2~0.3V。導(dǎo)通區(qū)反向截止區(qū)在二極管上加反向電壓時，由于少數(shù)載流子的漂移運動形成很小的反向電流。反向電流有兩個特點，一是它隨溫度的上升增長很快，一是在反向電壓不超過某一范圍，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓的高低無關(guān)，故通常稱它為反向飽和電流。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020這是因為，少數(shù)載流子數(shù)目有限，他們基本上都參與導(dǎo)電，所以，在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流很小且基本恒定。此時，二極管呈高阻截止?fàn)顟B(tài)。反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)

當(dāng)外加反向電壓過高時，反向電流將突然增加，二極管失去單向?qū)щ娦裕@種現(xiàn)象稱為擊穿。二極管被擊穿后，一般不能恢復(fù)原來的性能，便失效了。產(chǎn)生擊穿時加在二極管上的反向電壓稱為反向擊穿電壓（UBR）。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向擊穿區(qū)反向擊穿發(fā)生擊穿的原因，一種是處于強電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格而將價電子碰撞出來，產(chǎn)生電子空穴對，新產(chǎn)生的載流子在電場作用下獲得足夠能量后又通過碰撞產(chǎn)生電子空穴對。如此形成連鎖反應(yīng)，反向電流越來越大，最后使得二極管反向擊穿，另一種原因是強電場直接將共價鍵中的價電于拉出來，產(chǎn)生電子空穴對，形成較大的反向電流。9.3.2伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。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(nèi)保持常數(shù)。9.3.3主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管的單向?qū)щ娦?/p>

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時，二極管處于正向?qū)顟B(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(fù)、陰極接正）時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(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?qū)щ娦浴?/p>

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。

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(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.8V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(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)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。D6V12V3kBAUAB+–在這里，二極管起鉗位作用。

例2:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導(dǎo)通（壓降0.3V），DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用,DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例3:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里,D2起鉗位作用,D1起隔離作用。

BD16V12V3kAD2UAB+–ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例4：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––9.4.1

穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓穩(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穩(wěn)壓管的伏安特性曲線的反向擊穿特性比普通二極管的要陡些。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?jǐn)?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。

穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制成的面接觸型硅二極管，其特殊之處在于它工作在特性曲線的反向擊穿區(qū)，正常工作時處于反向擊穿狀態(tài)，并通過制造工藝保證PN結(jié)不會被熱擊穿。所以，在切斷電源后，管子能恢復(fù)原來的狀態(tài)。

在電路中與適當(dāng)電阻配合，能起到穩(wěn)定電壓的作用。故稱其為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓電路R是限流電阻RL是負(fù)載電阻IIZ(1)

穩(wěn)壓原理

a.UI不穩(wěn)定

UI↑→UO↑→UZ↑

→IZ↑→I↑→IR↑

UO↓DZIZRLUOUIRIIO+_+_b.RL改變

RL↓

→UO↓

→UZ↓→IR↓→IZ↓→I↓UO↑DZIZRLUOUIRIIO+_+_符號9.4.2發(fā)光二極管(LED)當(dāng)發(fā)光二極管加上正向電壓并有足夠大的正向電流時，就能發(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。常用的有2EF等系列。發(fā)光二極管的工作電壓為1.5~3V，工作電流為幾~十幾mA。9.4.3光電二極管

光電二極管在反向電壓作用下工作。當(dāng)無光照時,和普通二極管一樣,其反向電流很小,

稱為暗電流。當(dāng)有光照時,產(chǎn)生的反向電流稱為光電流。照度E越強，光電流也越大。常用的光電二極管有2AU,2CU等系列。光電流很小,一般只有幾十微安,應(yīng)用時必須放大。符號9.5

整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。分析時可把二極管當(dāng)作理想元件處理：

二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦評DO9.5.1單相半波整流電路2.工作原理

u

正半周，Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；3.工作波形

u負(fù)半周，Va<Vb，二極管D截止。1.電路結(jié)構(gòu)

–++–aTrDuoubRLioutOuoO4.參數(shù)計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管