第1章半導(dǎo)體二極管與整流電路

第1章半導(dǎo)體二極管與整流電路1.3半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.4二極管整流電路1.5穩(wěn)壓二極管及其應(yīng)用1.2半導(dǎo)體二極管1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.6光敏二極管1.7發(fā)光二極管電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)二極管及其應(yīng)用三極管及其應(yīng)用組合邏輯電路時(shí)序邏輯電路

電子技術(shù)的組成1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?.了解二極管、穩(wěn)壓管、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；3.分析含有二極管的電路；理解并掌握單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)的計(jì)算;4.了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理。教學(xué)要求：1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1本征半導(dǎo)體與摻雜半導(dǎo)體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。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(shí)，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(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)1.本征半導(dǎo)體GeSi通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。

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(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子1.本征半導(dǎo)體

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

價(jià)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(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)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(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

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

（1）自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流

（2）價(jià)電子遞補(bǔ)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(duì)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(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，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(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。2.摻雜半導(dǎo)體摻入五價(jià)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€(gè)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）,形成摻雜半導(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。

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。（1）N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(jià)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(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。（2）P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的符號(hào)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體1.PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。1.1.2PN結(jié)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E少子漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。空間電荷區(qū)越寬，內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。多子邊擴(kuò)散邊復(fù)合漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)1、空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P區(qū)中的空穴、N區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3、P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)正向偏置（加正向電壓）：

P區(qū)接電源高電位端、N區(qū)接電源低電位端。

PN結(jié)反向偏置（加反向電壓）：

P區(qū)接電源高電位端、N區(qū)接電源低電位端。－－－－++++RUS（1）PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。+_空穴自由電子（2）PN

結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RUS_+空穴自由電子1、PN結(jié)加正向電壓時(shí)，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)。結(jié)論：3、溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。2、PN結(jié)加反向電壓時(shí)，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)。陰極引線陽(yáng)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(yáng)極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽(yáng)極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型1.2半導(dǎo)體二極管1.二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽(yáng)極(

d

)

符號(hào)D2.伏安特性UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBRUBR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UF一般為十幾伏到幾十伏UF死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。PN+-正向偏置PN+-反向偏置反向截止區(qū)反向電流很小反向擊穿區(qū)可控開關(guān)3.主要參數(shù)（1）最大整流電流IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓URWM一般是UBR的一半或三分之二。（3）反向峰值電流IRM指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦阅懿?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。選用二極管時(shí)還需注意交流參數(shù)。（4）微變電阻rDiDuDIDUDQrD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。uDiD2、二極管的單向?qū)щ娦?/p>

（1）二極管加正向電壓（正向偏置，陽(yáng)極接正、陰極接負(fù)

）時(shí)，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(yáng)極接負(fù)、陰極接正）

時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較，

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。電路如圖，求：UAB

V陽(yáng)

=－6VV陰=－12VV陽(yáng)>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(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–1.3半導(dǎo)體二極管的簡(jiǎn)單應(yīng)用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2：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––例3：二極管半波整流電路二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)考慮理想二極管：正向?qū)〞r(shí)：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0，反向截止時(shí)：反向電流＝0。RLuiuo－＋＋－ARLuiuo－＋＋－uiuottooRLuiuo－＋＋－1.4二極管整流電路電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路:將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:消除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo

的穩(wěn)定。1.4.1單相半波整流電路uDO2.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(jì)算（1）整流電壓平均值Uo（2）整流電流平均值Io（3）流過(guò)每管電流平均值ID（4）每管承受的最高反向電壓UDRM（5）變壓器副邊電流有效值I5.整流二極管的選擇

平均電流ID與最高反向電壓UDRM

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時(shí)應(yīng)滿足：

IOM

ID

，URWMUDRM

1.4.2單相橋式整流電路橋式整流電路+-u2正半周時(shí)電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負(fù)半周時(shí)電流通路u2>0時(shí)D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A

D1RLD3Bu2<0時(shí)D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:BD2RLD4A輸出是脈動(dòng)的直流電壓！橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形u2D4D2D1D3RLuoABu2uD4,uD2uD3,uD1uo1.4.3整流電路的主要參數(shù)1.整流輸出電壓平均值（Uo）全波整流時(shí)，負(fù)載電壓Uo的平均值為:2.負(fù)載平均電流（IL）平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)是選擇整流管的主要依據(jù)。在橋式整流電路中，每個(gè)二極管只有半周導(dǎo)。因此，流過(guò)每只整流二極管的平均電流ID

是負(fù)載平均電流的一半。

二極管截止時(shí)兩端承受的最大反向電壓：3.二極管平均電流4.二極管承受反向峰值電壓?jiǎn)蜗蛉ㄕ麟娐?–+–+–+–變壓器副邊中心抽頭，感應(yīng)出兩個(gè)相等的電壓u2當(dāng)u2正半周時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止。當(dāng)u2負(fù)半周時(shí)，D2導(dǎo)通，D1截止。全波整流電壓波形u2uLuD1t2340uD2uL20tIL=UL/RL=0.9U2

/RL

（2）輸出電流平均值IL：（1）輸出電壓平均值UL：ILuD20t（3）流過(guò)二極管的平均電流：ID

=IL/2（4）二極管承受的最高反向電壓：幾種常見(jiàn)的硅整流橋外形+AC-~+~-~+-~交直流管腳用錯(cuò)將如何？造成短路燒毀變壓器！濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

電容與負(fù)載RL并聯(lián)，或電感與負(fù)載RL串聯(lián)。交流電壓脈動(dòng)直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓(或通過(guò)電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。1.4.5濾波電路以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。1.電容濾波原理橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–（1）RL未接入時(shí)（忽略整流電路內(nèi)阻）u2tuot設(shè)t1時(shí)刻接通電源t1充電結(jié)束沒(méi)有電容時(shí)的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–無(wú)放電回路電壓保持（2）RL接入（且RLC較大）時(shí)（忽略整流電路內(nèi)阻）u2tuot

在u2小于電容電壓時(shí)，二極管截止，電容不充電，電容通過(guò)RL放電，uo會(huì)逐漸下降。當(dāng)電容電壓下降到低于u2時(shí)，又開始充電。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–u2tuot只有u2電壓大于uC時(shí)，二極管導(dǎo)通才有充電電流iD

。因此二極管電流是脈沖波。二極管電流iD的波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可見(jiàn)，采用電容濾波時(shí)，整流管的導(dǎo)通角變小。一般取(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2。（2）流過(guò)二極管瞬時(shí)電流很大。RLC越大Uo越高

負(fù)載電流的平均值越大;

整流管導(dǎo)電時(shí)間越短iD的峰值電流越大故一般選管時(shí)，取2.電容濾波電路的特點(diǎn)（1）輸出電壓Uo與放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)。RLC愈大電容器放電愈慢Uo(平均值)愈大輸出波形隨負(fù)載電阻RL或C

的變化而改變,Uo

和S也隨之改變。如:RL愈小(IL

越大),Uo下降多,S增大。結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。（3）輸出特性（外特性）uo電容濾波純電阻負(fù)載1.4U20.9U20IL例：

有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過(guò)二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值uRLuo++––~+C解：（1）選擇整流二極管可選用二極管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

例：

有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。取RLC=5

T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：（2）選擇濾波電容器可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器3.電感濾波電路結(jié)構(gòu):

在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L

就構(gòu)成了電感濾波電路。電感濾波電路u2u1RLLuo對(duì)直流分量:

XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對(duì)諧波分量:

f

越高，XL越大,電壓大部分降在XL上。

因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。Uo=0.9U2當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓約為：u2u1RLLuo電感濾波的特點(diǎn)：整流管導(dǎo)電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。u2u1RLLuo電感電流不能跳變故負(fù)載電流可持續(xù)1.5.1穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓靈敏度曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。UZ1.5穩(wěn)壓二極管及其應(yīng)用反向擊穿電壓最小穩(wěn)定電流IZminUZ＋－

穩(wěn)壓管正常工作時(shí)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。穩(wěn)壓原理uoiZDZRiLiuiRL+－限流電阻+－uiuoUz穩(wěn)壓管特性iziuRUo穩(wěn)定（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）

穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻負(fù)載電阻。求輸入電壓分別為10V、15V、20V時(shí)的輸出電壓和流過(guò)二極管的電流。例1：圖示穩(wěn)壓電路中，已知：解：當(dāng)穩(wěn)壓二極管處于反向擊穿狀態(tài)時(shí)能正常工作UoIZDZRILIUiRL+－限流電阻+－可見(jiàn)，該電路中穩(wěn)壓管能正常工作的最小輸入電壓為15V，此時(shí)輸出電壓U0＝6V，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為3mA。若Ui＝20V，穩(wěn)壓管能正常工作，輸出電壓U0＝6VUR＝UI－U0＝20－6＝14V流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流為I－IO＝14－6＝8mA若Ui＝10V，穩(wěn)壓管未進(jìn)入反向擊穿區(qū)，電路中R和RL串聯(lián)，輸出電壓U0＝5V隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡(jiǎn)單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。本節(jié)主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過(guò)熱保護(hù)環(huán)節(jié)。4.5.2集成穩(wěn)壓電路1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩(wěn)壓器外形1231端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形123注：金屬封裝和塑料封裝管腳定義不同，使用時(shí)一定要先查手冊(cè)。注：型號(hào)后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值輸出額定電壓值有如下系列:5V、9V、12V、18V、24V等。