電工電子技術(shù)及應(yīng)用 課件 第五章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

5.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)5.2PN結(jié)5.3半導(dǎo)體二極管5.4半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用5.5特殊二極管5.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)５．１．１導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體物質(zhì)按導(dǎo)電能力的不同，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，在常態(tài)下更接近于絕緣體，但它在摻入雜質(zhì)或受熱、受光照后，其導(dǎo)電能力明顯增強(qiáng)而接近于導(dǎo)體，利用半導(dǎo)體的這些特性，可將它制成具有特殊功能的元器件，如晶體管、集成電路、整流器、激光器以及各種光電探測(cè)器件、微波器件等。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。其中硅和鍺是主要的半導(dǎo)體材料，而硅占據(jù)了９０％以上的半導(dǎo)體材料份額。半導(dǎo)體除了在導(dǎo)電能力方面與導(dǎo)體和絕緣體不同外，它還具有不同于其他物質(zhì)的獨(dú)特性質(zhì)。這些獨(dú)特的性質(zhì)集中體現(xiàn)在它的電阻率可以因某些外界因素的改變而明顯地變化，具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（１）熱敏性。一些半導(dǎo)體對(duì)溫度的反應(yīng)很靈敏，其電阻率隨著溫度的升高而明顯下降，利用這種特性很容易制成各種熱敏器件，如熱敏電阻、溫度傳感器等。（２）光敏性。有些半導(dǎo)體的電阻率會(huì)隨著光照的增強(qiáng)而顯著地下降，利用這種特性可以做成各種光敏器件，如光敏電阻和光電管等。（３）摻雜性。半導(dǎo)體的電阻率受摻入“雜質(zhì)”的影響極大，在半導(dǎo)體中即使摻入的雜質(zhì)十分微量，也能使電阻率大大下降，其導(dǎo)電能力也會(huì)顯著地增加。利用這種獨(dú)特的性質(zhì)可以制成各種各樣的半導(dǎo)體器件。５．１．２本征半導(dǎo)體

常用于制作半導(dǎo)體器件的材料是硅和鍺。它們都是四價(jià)元素，其原子核的最外層軌道上有四個(gè)電子。為了制作半導(dǎo)體器件，它們被提純而制成單晶體。所以，通常把完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。在本征硅或鍺的單晶體中，其原子都按一定間隔排列成有規(guī)律的空間點(diǎn)陣（稱為晶格）。由于原子間相距很近，外層軌道上電子不僅受到自身原子核的約束，還要受到相鄰原子核的吸引，使得每個(gè)電子為相鄰原子所共有，從而形成共價(jià)鍵。此時(shí)，把共價(jià)鍵中的電子稱為價(jià)電子。這樣四個(gè)價(jià)電子與相鄰的四個(gè)原子中的價(jià)電子分別組成四對(duì)共價(jià)鍵，依靠共價(jià)鍵使晶體中的原子緊密地結(jié)合在一起。圖５．１．１是單晶硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖。

本征半導(dǎo)體的價(jià)電子雖受共價(jià)鍵的束縛而使每個(gè)原子的最外層電子為八個(gè)，處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，然而和絕緣體相比，這種束縛仍是比較弱的。當(dāng)溫度為絕對(duì)零度時(shí)，晶體不呈現(xiàn)導(dǎo)電性。而當(dāng)溫度升高時(shí)，本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中的價(jià)電子獲得一定能量就可掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，而在這些自由電子原有的位置上留下一個(gè)空位置，稱為空穴?？昭ㄒ蚴ル娮佣鴰д姾??？昭ㄊ遣荒芤苿?dòng)的，但由于正負(fù)電荷的相互吸引，空穴附近的電子會(huì)填補(bǔ)這個(gè)空位置，于是又產(chǎn)生新的空穴，該空穴又會(huì)有相鄰的電子來(lái)替補(bǔ)。如此繼續(xù)下去，就相當(dāng)于空穴在運(yùn)動(dòng)?？昭ㄟ\(yùn)動(dòng)的方向與價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)方向相反，因此空穴運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)。空穴作定向運(yùn)動(dòng)，也能使半導(dǎo)體導(dǎo)電。半導(dǎo)體中的空穴和自由電子均能參與導(dǎo)電，它們是運(yùn)載電流的粒子，故稱為載流子。半導(dǎo)體的重要物理特性是它的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率與材料內(nèi)單位體積中所含的電荷載流子的數(shù)目有關(guān)。電荷載流子的濃度愈高，其電導(dǎo)率愈高。半導(dǎo)體內(nèi)載流子的濃度取決于許多因素，它包括材料的基本性質(zhì)、溫度值以及雜質(zhì)的存在。由于半導(dǎo)體中電子和空穴同時(shí)參與導(dǎo)電，導(dǎo)致半導(dǎo)體導(dǎo)電和導(dǎo)體導(dǎo)電有著本質(zhì)的區(qū)別。

本征半導(dǎo)體中，外界激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，稱為電子空穴對(duì)。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，而本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)量是十分有限的。實(shí)際上，自由電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生的同時(shí)，還存在復(fù)合，即自由電子和空穴相遇而釋放能量，使電子空穴對(duì)消失。在本征半導(dǎo)體中，隨著溫度的升高或光照的增強(qiáng)，電子空穴對(duì)的數(shù)量將大大增加，導(dǎo)電能力也將大大增加，這就是半導(dǎo)體具有光敏性和熱敏性的基本原理。５．１．３雜質(zhì)半導(dǎo)體常溫下，本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目極少。故本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很低。為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，就必須提高載流子的濃度，為此只要在本征半導(dǎo)體中摻入微量三價(jià)元素（如硼、銦）或五價(jià)元素（如磷、砷），就能使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生明顯變化。通常把摻入的元素稱為雜質(zhì)，摻雜后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，可將雜質(zhì)半導(dǎo)體分為Ｎ型半導(dǎo)體和Ｐ型半導(dǎo)體兩大類。１．Ｎ型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的五價(jià)元素（如磷）后，就可形成Ｎ型半導(dǎo)體，如圖５．１．２所示。此時(shí)，半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中磷原子在頂替掉一個(gè)硅原子而與周圍的四個(gè)硅原子以共價(jià)鍵結(jié)合起來(lái)后，還多余了一個(gè)電子，該電子因?yàn)椴辉诠矁r(jià)鍵中，故受磷原子核的束縛十分脆弱，它極易擺脫原子核束縛而成為自由電子，使原來(lái)的中性磷原子成為不能移動(dòng)的正離子。所以，五價(jià)元素因給出多余的自由電子被稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)在提供自由電子的同時(shí)不產(chǎn)生新的空穴，這是它與本征激發(fā)的區(qū)別。在加入施主雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子的同時(shí)，雖然不產(chǎn)生新的空穴，但原來(lái)的本征晶體由于本征激發(fā)仍會(huì)產(chǎn)生少量的電子空穴對(duì)。所以，控制摻入雜質(zhì)的多少，便可控制自由電子的數(shù)量。故在Ｎ型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)，因而自由電子稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子，空穴稱為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。２．Ｐ型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入少量的三價(jià)元素（如硼），可形成Ｐ型半導(dǎo)體，如圖５．１．３所示。此時(shí)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，硼原子最外層的三個(gè)價(jià)電子在和相鄰的四個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)因缺少一個(gè)價(jià)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位。當(dāng)鄰近的電子填補(bǔ)該空位時(shí)，硼原子成為不能移動(dòng)的負(fù)離子。三價(jià)元素能夠接收電子，故稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)在提供空穴的同時(shí)不產(chǎn)生新的自由電子。因此，在Ｐ型半導(dǎo)體中，總的載流子數(shù)目（空穴）大為增強(qiáng)，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，其空穴是多數(shù)載流子———多子，自由電子是少數(shù)載流子———少子。綜上所述，半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)后，載流子的數(shù)目都有相當(dāng)程度的增加。Ｎ型半導(dǎo)體和Ｐ型半導(dǎo)體中的多子主要由雜質(zhì)提供，與溫度幾乎無(wú)關(guān)。所以，多子濃度由摻雜濃度決定；而少子濃度由本征激發(fā)產(chǎn)生，與溫度和光照等外界因素有關(guān)。不論何種類型的雜質(zhì)半導(dǎo)體，它們對(duì)外都顯示電中性。不同的是，在外加電場(chǎng)的作用下，Ｎ型半導(dǎo)體中電流的主體是電子；Ｐ型半導(dǎo)體中電流的主體是空穴。５．２ＰＮ結(jié)通過(guò)摻雜工藝，把本征硅（或鍺）片的一邊做成Ｐ型半導(dǎo)體，另一邊做成Ｎ型半導(dǎo)體，這樣在它們的交界面處會(huì)形成一個(gè)很薄的特殊物理層，稱為ＰＮ結(jié)。ＰＮ結(jié)是構(gòu)造半導(dǎo)體器件的基本單元。其中，普通晶體二極管就是由ＰＮ結(jié)構(gòu)成的。５．２．１ＰＮ結(jié)的形成物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體有機(jī)地結(jié)合在一起時(shí)，因?yàn)椋袇^(qū)一側(cè)空穴是多子，自由電子是少子，而Ｎ區(qū)一側(cè)電子是多子，空穴是少子，所以在它們的交界面處存在空穴和電子的濃度差，且兩種載流子的濃度差很大。濃度差的存在使載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散，形成的電流稱為擴(kuò)散電流。于是Ｐ區(qū)中的多子空穴會(huì)向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，并在Ｎ區(qū)與電子相遇而復(fù)合。Ｎ區(qū)中的多子電子也會(huì)向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，并在Ｐ區(qū)與空穴相遇而復(fù)合，上述過(guò)程如圖５．２．１（ａ）所示。這樣在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)的交界面處分別留下了不能移動(dòng)的受主負(fù)離子和施主正離子，結(jié)果使交界面的兩側(cè)形成了由等量正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合，或者說(shuō)消耗盡了。因此，空間電荷區(qū)又稱為載流子耗盡區(qū)。它的電阻率很高，擴(kuò)散越強(qiáng)，空間電荷區(qū)越寬?？臻g電荷區(qū)出現(xiàn)以后，正負(fù)離子的相互作用在空間電荷區(qū)形成了一個(gè)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的Ｎ區(qū)指向帶負(fù)電的Ｐ區(qū)。由于這個(gè)電場(chǎng)是在空間電荷區(qū)內(nèi)部形成的，不是外加電壓形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)。顯然，內(nèi)電場(chǎng)的方向阻止多子繼續(xù)擴(kuò)散，故又稱為阻擋層。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，載流子將受力作定向移動(dòng)。對(duì)于空穴而言，其移動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相同，而電子則是逆著電場(chǎng)的方向移動(dòng)。這種由于電場(chǎng)作用而導(dǎo)致載流子的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，即在內(nèi)電場(chǎng)作用下，Ｐ區(qū)少子———電子向Ｎ區(qū)漂移，Ｎ區(qū)少子———空穴向Ｐ區(qū)漂移。多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的擴(kuò)散電流和少子漂移運(yùn)動(dòng)形成的漂移電流的方向相反。從Ｎ區(qū)漂移到Ｐ區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上Ｐ區(qū)失去的空穴，而從Ｐ區(qū)漂移到Ｎ區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上Ｎ區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少。因此，漂移運(yùn)動(dòng)能使空間電荷區(qū)變窄，其作用與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既互相聯(lián)系又互相對(duì)立，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加寬，電場(chǎng)增強(qiáng)，多數(shù)載流子擴(kuò)散的阻力增大，但使少數(shù)載流子的漂移增強(qiáng)；而漂移使空間電荷區(qū)變窄，電場(chǎng)減弱，又使擴(kuò)散容易進(jìn)行。當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)，空間電荷區(qū)便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。一旦二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度保持相對(duì)穩(wěn)定，正負(fù)離子數(shù)亦不再變化。這個(gè)處于動(dòng)態(tài)平衡的空間電荷區(qū)被稱為ＰＮ結(jié)。另外，空間電荷區(qū)內(nèi)，電子要從Ｎ區(qū)到Ｐ區(qū)必須克服內(nèi)電場(chǎng)力做功，使電子勢(shì)能提高，故空間電荷區(qū)也稱為勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘電壓ＵＢ描述內(nèi)電場(chǎng)的大小，如圖５．２．１（ｂ）所示。５．２．２ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻冢校谓Y(jié)的兩端外加電壓，將破壞ＰＮ結(jié)原來(lái)的平衡狀態(tài)。此時(shí)，擴(kuò)散電流不再等于漂移電流，因而ＰＮ結(jié)將有電流流過(guò)。當(dāng)外加電壓極性不同時(shí)，ＰＮ結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能，即呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦浴＃保校谓Y(jié)外加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況ＰＮ結(jié)外加正向電壓（即Ｐ正Ｎ負(fù)）時(shí)的導(dǎo)電情況如圖５．２．２所示。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，它削弱了內(nèi)電場(chǎng)。使內(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。此時(shí)，可忽略漂移電流的影響，ＰＮ結(jié)呈現(xiàn)低阻性。這是由于在外加電場(chǎng)作用下，ＰＮ結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，Ｐ區(qū)中的多數(shù)載流子空穴和Ｎ區(qū)中的多數(shù)載流子電子都要向ＰＮ結(jié)移動(dòng)，即Ｐ區(qū)空穴進(jìn)入ＰＮ結(jié)后，要與原來(lái)的一部分負(fù)離子中和，使Ｐ區(qū)的空間電荷量減少。同樣，Ｎ區(qū)電子進(jìn)入ＰＮ結(jié)后，要中和部分正離子，使Ｎ區(qū)的空間電荷量減少，結(jié)果ＰＮ結(jié)變窄。內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度減小，有利于Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)中多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成較大的擴(kuò)散電流。Ｎ區(qū)電子不斷擴(kuò)散到Ｐ區(qū)，Ｐ區(qū)空穴不斷擴(kuò)散到Ｎ區(qū)。ＰＮ結(jié)內(nèi)的電流便由起支配地位的擴(kuò)散電流決定，并在外電路上形成一個(gè)流入Ｐ區(qū)的電流，稱為正向電流。當(dāng)外加電壓升高時(shí)，ＰＮ結(jié)電場(chǎng)便進(jìn)一步減弱，擴(kuò)散電流隨之增加，在正常工作范圍內(nèi)，ＰＮ結(jié)上外加電壓只要稍有變化，便能引起電流的顯著變化。因此，電流Ｉ是隨外加電壓急速上升的。故正向的ＰＮ結(jié)表現(xiàn)為一個(gè)阻值很小的電阻，也稱ＰＮ結(jié)導(dǎo)通或ＰＮ結(jié)正向偏置。２．ＰＮ結(jié)外加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況ＰＮ結(jié)外加反向電壓（即Ｐ負(fù)Ｎ正）時(shí)的導(dǎo)電情況如圖５．２．３所示。

外加的反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)方向相同，它增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，使多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受阻，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)，ＰＮ結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很小，ＰＮ結(jié)呈現(xiàn)高阻性。反向電壓使Ｎ區(qū)和Ｐ區(qū)中的少數(shù)載流子更容易產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，因此這種情況下，ＰＮ結(jié)內(nèi)的電流由起支配地位的漂移電流來(lái)決定。漂移電流的方向與擴(kuò)散電流相反，表現(xiàn)在外電路上有一個(gè)流入Ｎ區(qū)的反向電流Ｉ，由于少數(shù)載流子的濃度很低，所以Ｉ很小，一般硅管為微安級(jí)，ＰＮ結(jié)此時(shí)呈現(xiàn)為一個(gè)阻值很大的電阻，可認(rèn)為它基本上不導(dǎo)電，稱ＰＮ結(jié)截止，也稱ＰＮ結(jié)反偏。

所以，ＰＮ結(jié)外加正向電壓時(shí)，結(jié)電阻很小，電流較大，它是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的，即ＰＮ結(jié)導(dǎo)通；外加反向電壓時(shí)，結(jié)電阻很大，電流很小，它是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)形成的。即ＰＮ結(jié)截止，這就是它的單向?qū)щ娦?。ＰＮ結(jié)具有單向?qū)щ娦缘年P(guān)鍵在于它存在耗盡區(qū)，且其寬度隨外加電壓而變化。３．ＰＮ結(jié)的ＵＩ特性表達(dá)式

在ＰＮ結(jié)的兩端施加正、反向電壓時(shí)，通過(guò)管子的電流如圖５．２．４所示。根據(jù)理論分析，ＰＮ結(jié)的ＵＩ特性可表示為式中：ｉ為通過(guò)ＰＮ結(jié)的電流；ｕ為ＰＮ結(jié)兩端的外加電壓；ＵＴ為電壓溫度當(dāng)量，其中ｋ為玻耳茲曼常數(shù)Ｔ為熱力學(xué)溫度，即絕對(duì)溫度（單位為Ｋ，０Ｋ＝２７３℃），ｑ為電子電荷量。常溫（３００Ｋ）下，ＵＴ≈２６ｍＶ；ｅ為自然對(duì)數(shù)的底；ＩＳ為反向飽和電流。對(duì)于分立器件，其典型值約在的范圍內(nèi)。關(guān)于式（5.2.1），可分析如下：（１）當(dāng)ＰＮ結(jié)兩端加正向電壓時(shí)，電壓ｕ為正值，當(dāng)ｕ?ＵＴ時(shí)，式（5.2.1）中遠(yuǎn)大于１，括號(hào)中的１可以忽略，即電流ｉ與電壓ｕ成指數(shù)關(guān)系，如圖5.2.4中的正向電壓部分所示。（２）當(dāng)ＰＮ結(jié)兩端加反向電壓時(shí)，ｕ為負(fù)值。若時(shí)，指數(shù)項(xiàng)趨近于零，因此，如圖5.2.4中的反向電壓部分所示。可見(jiàn)當(dāng)溫度一定時(shí)，反向飽和電流是個(gè)常數(shù)ＩＳ，不隨外加反向電壓的大小而變化。４．ＰＮ結(jié)的反向擊穿當(dāng)加到ＰＮ結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然增加，這個(gè)現(xiàn)象稱為ＰＮ結(jié)的反向擊穿（電擊穿），如圖５．２．５所示。發(fā)生擊穿所需的反向電壓ＵＢＲ稱為反向擊穿電壓。ＰＮ結(jié)擊穿后，電流很大，容易使ＰＮ結(jié)發(fā)熱，導(dǎo)致結(jié)電流、結(jié)溫的進(jìn)一步升高，直至燒毀ＰＮ結(jié)，此時(shí)，電擊穿就轉(zhuǎn)化成了破壞性的熱擊穿了。反向擊穿電壓的大小與ＰＮ結(jié)的制造參數(shù)有關(guān)。ＰＮ結(jié)電擊穿主要有兩個(gè)原因：（１）當(dāng)ＰＮ結(jié)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨之增強(qiáng)。產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)的少數(shù)載流子通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)，在很強(qiáng)的電場(chǎng)作用下獲得足夠的動(dòng)能，與晶格中的原子發(fā)生碰撞，從而打破共價(jià)鍵的束縛，形成更多的自由電子空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的電子和空穴與原有的電子和空穴一樣，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下獲得足夠的能量，繼續(xù)碰撞電離，再產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這就是載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增大，于是ＰＮ結(jié)被擊穿，這種擊穿稱為雪崩擊穿。（２）當(dāng)反向電壓加至一定值后，ＰＮ結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)很強(qiáng)，它能夠破壞共價(jià)鍵的束縛，將電子分離出來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下，電子移向Ｎ區(qū)，空穴移向Ｐ區(qū)，從而形成較大的反向電流，這種擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。發(fā)生齊納擊穿需要的電場(chǎng)強(qiáng)度約為這只有在雜質(zhì)濃度很高，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度大，且空間電荷區(qū)很窄的ＰＮ結(jié)中才能達(dá)到。齊納擊穿的物理過(guò)程和雪崩擊穿完全不同。一般整流二極管摻雜濃度沒(méi)有這么高，它在電擊穿中多數(shù)是雪崩擊穿造成的。齊納擊穿多數(shù)出現(xiàn)在特殊的二極管中，如齊納二極管（穩(wěn)壓管）。必須指出，上述兩種電擊穿過(guò)程是可逆的，當(dāng)加在穩(wěn)壓管兩端的反向電壓降低后，管子仍可以恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。但它有一個(gè)前提條件，就是反向電流和反向電壓的乘積不能超過(guò)ＰＮ結(jié)容許的耗散功率，否則，會(huì)因?yàn)闊崃可⒉怀鋈ザ梗校谓Y(jié)溫度上升，直到過(guò)熱而燒毀，這種現(xiàn)象就是熱擊穿。所以熱擊穿和電擊穿的概念是不同的，但往往電擊穿與熱擊穿共存。電擊穿可為人們所利用（如穩(wěn)壓管），而熱擊穿則是必須盡量避免的。５．２．３ＰＮ結(jié)的電容效應(yīng)在一定條件下，ＰＮ結(jié)存在電容效應(yīng)，根據(jù)產(chǎn)生原因的不同分為勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。（１）勢(shì)壘電容ＣＢ。勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)ＰＮ結(jié)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度也相應(yīng)地隨之變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而增大或減小，這種現(xiàn)象與電容器的充放電過(guò)程相同，故稱為勢(shì)壘電容效應(yīng)，用ＣＢ表示。顯然，勢(shì)壘電容效應(yīng)在ＰＮ結(jié)處于反向偏置時(shí)表現(xiàn)得較為明顯；而ＰＮ結(jié)正偏時(shí)，其電容效應(yīng)可忽略不計(jì)。勢(shì)壘電容具有非線性，它與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體的介電常數(shù)以及外加電壓有關(guān)。（２）擴(kuò)散電容ＣＤ。擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在ＰＮ結(jié)的另一側(cè)積累而形成的。當(dāng)ＰＮ結(jié)處于正向偏置時(shí)，如前所述，Ｐ區(qū)的空穴將向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，其結(jié)果導(dǎo)致在Ｎ區(qū)靠近結(jié)的邊緣有高于正常情況時(shí)的空穴濃度存在，這種超量的空穴濃度可視為電荷存儲(chǔ)到ＰＮ結(jié)的鄰域。存儲(chǔ)電荷量的大小，取決于ＰＮ結(jié)上所加正向電壓的大小。離結(jié)區(qū)愈遠(yuǎn)，空穴濃度會(huì)隨之減小，形成了一定的空穴濃度梯度分布曲線。同理，Ｎ區(qū)的電子向Ｐ區(qū)擴(kuò)散的情況也是如此，在Ｐ區(qū)內(nèi)也形成類似的電子濃度梯度分布曲線。當(dāng)外加正向電壓變化時(shí)，擴(kuò)散電流的大小也就發(fā)生變化。所以，ＰＮ結(jié)兩側(cè)堆積的多子濃度梯度分布也不相同，這就相當(dāng)于電容的充放電過(guò)程。ＰＮ結(jié)正偏時(shí)，積累在Ｐ區(qū)的電子和Ｎ區(qū)的空穴隨正向電壓的增加而增加，擴(kuò)散電容較大；ＰＮ結(jié)反偏時(shí)，由于擴(kuò)散電流很小，因此擴(kuò)散電容數(shù)值很小，一般可以忽略。由上可見(jiàn)，ＰＮ結(jié)的電容效應(yīng)是擴(kuò)散電容ＣＤ和勢(shì)壘電容ＣＢ的綜合反映，由于ＣＤ和ＣＢ一般都很小，對(duì)于低頻信號(hào)呈現(xiàn)出很大的容抗，其作用可忽略不計(jì)。但在高頻運(yùn)用時(shí)，必須考慮ＰＮ結(jié)的電容影響。ＰＮ結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。當(dāng)ＰＮ結(jié)處于正向偏置時(shí)，結(jié)電容較大（主要由擴(kuò)散電容ＣＤ決定）；當(dāng)ＰＮ結(jié)處于反向偏置時(shí)，結(jié)電容較?。ㄖ饕蓜?shì)壘電容ＣＢ決定）。５．３半導(dǎo)體二極管５．３．１二極管的結(jié)構(gòu)和類型將ＰＮ結(jié)用外殼封裝起來(lái)，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。接在二極管Ｐ區(qū)的引出線稱為二極管的陽(yáng)極，接在Ｎ區(qū)的引出線稱為二極管的陰極。二極管有許多類型。從工藝上分，有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型；點(diǎn)接觸型二極管是由一根金屬絲經(jīng)過(guò)特殊工藝與半導(dǎo)體表面相接形成ＰＮ結(jié)，因而結(jié)面積很小，不能通過(guò)較大電流，結(jié)電容也很小，但工作頻率可達(dá)１００ＭＨｚ以上，點(diǎn)接觸型二極管不能承受高的反向電壓和大的電流，故適用于高頻電路和數(shù)字電路。面接觸型和平面型二極管的ＰＮ結(jié)是用合金法或擴(kuò)散法做成的，這種二極管的ＰＮ結(jié)面積大，可承受較大的電流，結(jié)電容也很大。這類二極管適用于整流，而不宜在高頻電路中使用。圖５．３．１所示為不同結(jié)構(gòu)的二極管。圖５．３．２所示為二極管的符號(hào)。由Ｐ端引出的電極是正極，由Ｎ端引出的電極是負(fù)極，箭頭的方向表示正向電流的方向，ＶＤ是二極管的文字符號(hào)。常見(jiàn)的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式。按照應(yīng)用的不同，二極管分為整流、檢波、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢復(fù)和變?nèi)荻O管等。根據(jù)使用的不同，二極管的外形各異，圖５．３．３所示為幾種常見(jiàn)的二極管外形實(shí)物圖。５．３．２二極管的特性１．伏安特性一般用伏安特性曲線來(lái)表示二極管特性。伏安特性是指二極管兩端的電壓與流過(guò)二極管的電流之間的關(guān)系。二極管既然是一個(gè)ＰＮ結(jié)，當(dāng)然就具有單向?qū)щ娦裕浞蔡匦匀鐖D５．３．４所示。由圖５．３．４可見(jiàn)，二極管外加正向電壓時(shí)，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的正向特性。當(dāng)二極管所加正向電壓比較小時(shí)（０＜Ｕ＜Ｕｔｈ），二極管上流經(jīng)的電流幾乎為０ｍＡ，管子仍截止，此區(qū)域稱為死區(qū)，Ｕｔｈ稱為死區(qū)電壓（門檻電壓）。由于正向電壓小于死區(qū)電壓，它還不足以克服ＰＮ結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻擋作用，所以使這一區(qū)段二極管正向電流很小。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料有關(guān)，并受環(huán)境溫度的影響。通常，硅材料二極管的死區(qū)電壓約為０．５Ｖ，鍺材料二極管的死區(qū)電壓約為０．２Ｖ。當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓值時(shí)，外電場(chǎng)抵消了內(nèi)電場(chǎng)，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，呈指數(shù)規(guī)律，這時(shí)二極管正向電阻變得很小。當(dāng)二極管完全導(dǎo)通后，正向壓降將基本維持不變，稱為二極管正向?qū)▔航担韫芗s為０．６～０．８Ｖ，鍺管約為０．２～０．３Ｖ。二極管外加反向電壓時(shí)，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的反向特性。由圖５．３．４可見(jiàn)，二極管外加反向電壓時(shí)，反向電流很小，而且在相當(dāng)寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不變，因此稱此電流值為二極管的反向飽和電流。當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，只有少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成的反向飽和電流極小，這時(shí)二極管反向截止。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值ＵＢＲ時(shí)，反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。利用二極管的反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)。２．主要參數(shù)二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，還可用一些數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明，這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管參數(shù)是正確選擇和使用二極管的依據(jù)。其主要參數(shù)有：（１）最大整流電流ＩＦ：二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流，其值與ＰＮ結(jié)面積及外部散熱條件有關(guān)。使用時(shí)正向平均電流若超過(guò)此值會(huì)導(dǎo)致ＰＮ結(jié)過(guò)熱而損壞。（２）最高反向工作電壓ＵＲＭ：為防止二極管被擊穿而規(guī)定的最大反向工作電壓，一般為反向擊穿電壓ＵＢＲ的１／２或２／３。（３）反向飽和電流ＩＲ：在規(guī)定的反向電壓和室溫下，二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。其值越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?，ＩＲ?duì)溫度非常敏感。（４）最高工作頻率ｆＭ：二極管正常工作時(shí)的上限頻率值。它的大小與ＰＮ結(jié)的結(jié)電容有關(guān)。當(dāng)二極管的工作頻率超過(guò)ｆＭ時(shí)，其單向?qū)щ娦阅茏儾睢?yīng)當(dāng)指出，由于制造工藝所限，半導(dǎo)體器件參數(shù)具有分散性，同一型號(hào)管子的參數(shù)值也會(huì)有相當(dāng)大的差距，因而手冊(cè)上往往給出的是參數(shù)的上限值、下限值或范圍。此外，使用時(shí)應(yīng)特別注意手冊(cè)上每個(gè)參數(shù)的測(cè)試條件，當(dāng)使用條件與測(cè)試條件不同時(shí)，參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)二極管的使用場(chǎng)合，按其承受的最高反向電壓、最大正向平均電流、工作頻率、環(huán)境溫度等條件，選擇滿足要求的二極管。３．二極管的溫度特性二極管是對(duì)溫度非常敏感的器件。實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度升高，二極管的正向特性曲線向左移，正向壓降會(huì)減小，即二極管的正向壓降具有負(fù)的溫度系數(shù)；溫度升高，反向飽和電流會(huì)增大，反向伏安特性下移。在室溫附近，溫度每升高１℃，正向壓降減?。病玻担恚郑粶囟让可撸保啊?，反向電流大約增加一倍。可見(jiàn)二極管特性對(duì)溫度很敏感。５．３．３半導(dǎo)體二極管等效電路工程上，通常在一定條件下，利用簡(jiǎn)化模型代替二極管非線性特性來(lái)分析二極管電路會(huì)使分析大為簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化模型分析方法是非常簡(jiǎn)單有效的工程近似分析方法。在一定條件下近似用線性電路來(lái)等效實(shí)際的二極管，這種電路稱為二極管等效電路。本書(shū)僅介紹理想二極管等效電路和考慮二極管正向壓降后的等效電路。１．理想二極管等效電路圖５．３．５（ａ）所示為理想二極管的伏安特性曲線，其中的虛線表示實(shí)際二極管的伏安特性，圖５．３．５（ｂ）是它的等效電路。由圖可見(jiàn)，對(duì)于理想二極管而言，在正向偏置時(shí)，理想二極管的管壓降為零，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；而在反向偏置時(shí)，可認(rèn)為二極管等效電阻為無(wú)窮大，電流為零，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。這種等效電路實(shí)際上忽略了二極管的正向壓降和反向飽和電流，而將二極管等效為一個(gè)理想開(kāi)關(guān)。在實(shí)際的電路分析中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，利用此模型來(lái)近似分析是可行的。２．考慮二極管正向壓降的等效電路如圖５．３．６（ａ）所示為考慮二極管正向?qū)▔航禃r(shí)的伏安特性曲線，其中的虛線表示實(shí)際二極管的伏安特性，圖５．３．６（ｂ）是它的等效電路。由圖可見(jiàn)，當(dāng)外加正向電壓大于ＵＯＮ時(shí)，二極管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)閉合，二極管兩端的壓降為ＵＯＮ；當(dāng)外加電壓小于ＵＯＮ時(shí)，二極管截止，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。其基本思想是當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)為是恒定的，不隨電流而變，典型值為０．７Ｖ（硅管）或０．３Ｖ（鍺管）。該等效電路適合于二極管充分導(dǎo)通且工作電流不是很大的場(chǎng)合。５．４半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用二極管是電子電路中最常用的半導(dǎo)體器件。利用其單向?qū)щ娦约皩?dǎo)通時(shí)正向壓降很小的特點(diǎn)，可用來(lái)進(jìn)行整流、鉗位、電平選擇、限幅以及元件保護(hù)等各項(xiàng)工作。５．４．１直流穩(wěn)壓電源１．整流電路整流電路是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路。大多數(shù)整流電路都與變壓器、濾波器及穩(wěn)壓電路組合構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源。下面就將整流電路與直流穩(wěn)壓電源結(jié)合起來(lái)進(jìn)行介紹。幾乎所有的電子儀器都需要直流供電，而直流發(fā)電機(jī)和干電池提供的直流電壓往往又難以符合各種特定的要求。為此，采用最經(jīng)濟(jì)而簡(jiǎn)便的方法是直接通過(guò)交流電網(wǎng)來(lái)獲得所需的直流電壓。為了得到直流電壓，常利用具有單向?qū)щ娦阅艿碾娮釉骷ㄈ缍O管）將交流電變換為直流電。故通常把交流電變換為直流電的裝置稱為直流穩(wěn)壓電源。它主要由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如圖５．４．１所示。變壓器將交流電網(wǎng)電壓變換成整流電路所需的交流電壓，經(jīng)整流電路之后把交流電壓變換成單方向的脈動(dòng)電壓，再利用濾波電路濾除脈動(dòng)電壓中的交流成分，最后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路得到較平滑的直流電壓。１）單相半波整流電路單相半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。單相半波整流電路如圖５．４．２（ａ）所示，圖中Ｔ為電源變壓器，用來(lái)將市電２２０Ｖ交流電壓變換為整流電路所要求的交流低電壓，同時(shí)保證直流電源與市電電源有良好的隔離。若二極管為理想二極管，當(dāng)輸入為一正弦波時(shí)，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦钥芍赫胫芷跁r(shí)，二極管導(dǎo)通（相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合），ｕｏ＝ｕ２；負(fù)半周期時(shí)，二極管截止（相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)），ｕｏ＝０。其輸入、輸出波形見(jiàn)圖５．４．２（ｂ）。由于流過(guò)負(fù)載的電流和加在負(fù)載兩端的電壓只有半個(gè)周期的正弦波，故稱為半波整流。半波整流電路效率低，一般只作為原理電路加以介紹。通過(guò)對(duì)電路原理的討論可知，負(fù)載上的電壓只有大小的變化而無(wú)方向的變化，故稱ｕｏ為單向脈動(dòng)電壓。這時(shí)負(fù)載上的直流電壓即一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)電壓的平均值為流過(guò)負(fù)載ＲＬ上的直流電流為式（５．４．１）說(shuō)明，半波整流后，負(fù)載上脈動(dòng)電壓的平均值只有變壓器二次側(cè)電壓有效值的４５％，可見(jiàn)，電路的電壓利用率是比較低的。另外，由電路可知，二極管正向?qū)〞r(shí)，壓降幾乎為零，電流等于負(fù)載電流Ｉｏ；二極管反向截止時(shí)，它所承受的最大反向電壓為而流經(jīng)二極管的電流幾乎為零。故單相半波整流電路中選擇二極管的條件為：最大整流電流ＩＦＭ應(yīng)大于負(fù)載電流；二極管最大反向工作電壓應(yīng)大于ｕ２的峰值電壓，即考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和其他因素，在具體選擇二極管時(shí)，要留有１．５～２倍的裕量。２）單相橋式整流電路為克服單相半波整流電壓利用率低的缺點(diǎn)，常采用單相橋式整流電路，它由四個(gè)二極管接成電橋形式而構(gòu)成。圖５．４．３所示為單相橋式整流電路的幾種畫(huà)法。電源變壓器將電網(wǎng)電壓變換成大小適當(dāng)?shù)恼医涣麟妷?。如圖５．４．４（ａ）所示，設(shè)變壓器二次側(cè)輸出電壓為當(dāng)ｕ２為正半周期時(shí)（０≤ωｔ≤π），變壓器二次側(cè)ａ點(diǎn)的電位高于ｂ點(diǎn)，二極管ＶＤ１、ＶＤ３導(dǎo)通、ＶＤ２、ＶＤ４截止，電流的流通路徑是ａ→ＶＤ１→ＲＬ→ＶＤ３→ｂ。當(dāng)ｕ２為負(fù)半周期時(shí)（π≤ωｔ≤２π），變壓器二次側(cè)ｂ點(diǎn)的電位高于ａ點(diǎn)，二極管ＶＤ２、ＶＤ４導(dǎo)通，ＶＤ１、ＶＤ３截止，電流的流通路徑是ｂ→ＶＤ２→ＲＬ→ＶＤ４→ａ?？梢?jiàn)，在ｕ２變化的一個(gè)周期內(nèi)，ＶＤ１、ＶＤ３和ＶＤ２、ＶＤ４兩組整流二極管輪流導(dǎo)通半周期，流過(guò)負(fù)載ＲＬ上的電流方向一致，在ＲＬ兩端產(chǎn)生的電壓極性始終為上正下負(fù)。圖５．４．４（ｂ）所示為單相橋式整流電路中各點(diǎn)的電壓、電流波形。將橋式整流電路的輸出電壓波形與半波整流電路的輸出電壓波形相比較，顯然橋式整流電路的直流電壓Ｕｏ比半波整流時(shí)增加了一倍，即負(fù)載電流同樣也增加了一倍，即因?yàn)樵跇蚴秸麟娐分?，二極管ＶＤ１、ＶＤ３和ＶＤ２、ＶＤ４在電源電壓變化的一個(gè)周期內(nèi)是輪流導(dǎo)通的，所以流過(guò)每個(gè)二極管的電流都等于負(fù)載電流的一半；二極管在截止時(shí)管子兩端承受的最大反向電壓為ｕ２的峰值電壓，即與半波整流電路相比，橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高、紋波小，同時(shí)電源變壓器在正、負(fù)半周期均給負(fù)載供電，使電源變壓器的利用率提高了。目前封裝成一個(gè)整體的多種規(guī)格的整流橋塊已批量生產(chǎn)，它給使用者帶來(lái)了不少方便。其外形如圖５．４．５所示。使用時(shí)，只要將交流電壓接到標(biāo)有“～”的引腳上，從標(biāo)有“＋”和“－”的引腳引出的就是整流后的直流電壓。２．濾波電路整流電路雖然將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，但其中仍含有較大的交流成分（即紋波電壓）。這樣的脈動(dòng)電壓作為電鍍、蓄電池充電的電源還是允許的，但作為大多數(shù)電子設(shè)備的電源，將對(duì)電子設(shè)備的工作產(chǎn)生不良影響。所以，在整流電路之后，還需要加接濾波電路，盡量減小輸出電壓中的交流分量，使之接近于理想的直流電壓。濾波電路的形式很多，所用元件或?yàn)殡娙?，或?yàn)殡姼?，或兩者都用。１）電容濾波電路電容濾波電路在小功率電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。圖５．４．６（ａ）所示為單相橋式整流電容濾波電路，它由電容Ｃ和負(fù)載ＲＬ并聯(lián)組成。其工作原理如下：電容是一種可以存儲(chǔ)電荷（即電場(chǎng)能量）的電路元件，利用電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)，將電容和負(fù)載電阻并聯(lián)，可達(dá)到使輸出電壓波形平滑的目的。假定在ｔ＝０時(shí)接通電路，ｕ２為正半周，當(dāng)ｕ２由零上升時(shí)，二極管ＶＤ１、ＶＤ３導(dǎo)通，電容Ｃ充電。由于充電回路電阻很小，因而充電很快，ｕＣ和ｕ２變化基本同步，即ｕｏ＝ｕＣ≈ｕ２，當(dāng)ｕ２達(dá)到最大值時(shí)，ｕｏ也達(dá)到最大值，見(jiàn)圖５．４．６（ｂ）中ａ點(diǎn)，之后ｕ２下降，此時(shí)因ｕＣ＞ｕ２，二極管ＶＤ１～ＶＤ４截止，電容Ｃ通過(guò)負(fù)載電阻ＲＬ放電，由于放電時(shí)間常數(shù)τ＝ＲＬＣ一般較大，電容電壓ｕＣ按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。放電過(guò)程直至ｕ２進(jìn)入負(fù)半周后，當(dāng)ｕ２＞ｕＣ時(shí)，見(jiàn)圖５．４．６（ｂ）中ｂ點(diǎn)，二極管ＶＤ２、ＶＤ４導(dǎo)通，電容Ｃ再次充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充、放電過(guò)程。整流電路接入濾波電容后，不僅使輸出電壓波形變得平滑、紋波顯著減小，同時(shí)輸出電壓的平均值也增大了。輸出電壓的平均值為為了得到較好的濾波效果，電容濾波電路的電容值Ｃ應(yīng)滿足：式中：Ｔ為交流電網(wǎng)電壓的周期。加電容濾波后，二極管的導(dǎo)通時(shí)間縮短，導(dǎo)通角變?。é龋鸡校?。由于電容Ｃ充電的瞬時(shí)電流很大，形成了浪涌電流，容易損壞二極管。故在選擇二極管時(shí)，必須留有的足夠電流裕量。電容濾波電路簡(jiǎn)單，輸出電壓平均值Ｕｏ較高，脈動(dòng)較小，且放電時(shí)間常數(shù)越大，輸出電壓越平滑，但是二極管中有較大的沖擊電流。因此，電容濾波電路一般適用于輸出電壓較高、負(fù)載電流較小并且變化也較小的場(chǎng)合。５．４．２其他二極管應(yīng)用電路１．鉗位利用二極管正向?qū)〞r(shí)壓降很小的特性，可組成鉗位電路，如圖５．４．９所示。若Ａ點(diǎn)電壓ＡU＝０，二極管ＶＤ可正向?qū)?，其壓降很小，Ｆ點(diǎn)的電位將被鉗制在０Ｖ左右，即ＵＦ≈０。２．電平選擇電路從多路輸入信號(hào)中選出最低或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。圖５．４．１０（ａ）所示一種二極管低電平選擇電路。設(shè)兩路輸入信號(hào)ｕ１、ｕ２均小于Ｅ。表面上看，似乎ＶＤ１、ＶＤ２都能導(dǎo)通，實(shí)際上若ｕ１＜ｕ２，則ＶＤ１優(yōu)先導(dǎo)通，而把ｕｏ限制在低電平ｕ１上，使ＶＤ２截止。反之，若ｕ２＜ｕ１，則ＶＤ２優(yōu)先導(dǎo)通，而把ｕｏ限制在低電平ｕ２上，使ＶＤ１截止。只有當(dāng)ｕ１＝ｕ２時(shí)，ＶＤ１、ＶＤ２才能同時(shí)導(dǎo)通，ｕｏ＝ｕ１＋０．７Ｖ?？梢?jiàn)，該電路能選出任意時(shí)刻兩路信號(hào)中的低電平信號(hào)。圖５．４．１０（ｂ）畫(huà)出了當(dāng)ｕ１、ｕ２為方波時(shí)，輸出端選出的低電平波形。若將如圖５．４．１０（ａ）所示電路中的ＶＤ１、ＶＤ２反接，Ｅ改為負(fù)值，則電路就變?yōu)楦唠娖竭x擇電路。３．限幅利用二極管正向?qū)ê笃鋬啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦?，可以?gòu)成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內(nèi)。二極管限幅電路的原理可由如圖５．４．１１所示的內(nèi)容來(lái)分析說(shuō)明。設(shè)輸入電壓ｕｉ＝１０ｓｉｎωｔ（Ｖ），ＶＤ１、ＶＤ２都處于反向偏置而截止，因此處于正向偏置而導(dǎo)通，ＶＤ２截止，使輸出電壓保持ＵＳ２。ＶＤ２處于正向偏置而導(dǎo)通，ＶＤ１截止，輸出電壓將保持－ＵＳ２。由于輸出電壓ｕｏ被限制在－ＵＳ２與＋ＵＳ１之間，即很像將輸入信號(hào)的高峰和低谷部分削掉一樣，因此，這種電路又稱為削波電路。４．元件保護(hù)在電子線路中，常用二極管來(lái)保護(hù)其他元器件免受過(guò)高電壓的損害。圖５．４．１２所示為一種二極管元件保護(hù)電路。在開(kāi)關(guān)Ｓ接通時(shí)，電源Ｅ給線圈供電，電感Ｌ中有電流流過(guò)，儲(chǔ)存了磁場(chǎng)能量。在開(kāi)關(guān)Ｓ由接通到斷開(kāi)的瞬時(shí)，電流突然中斷，電感Ｌ中將產(chǎn)生一個(gè)高于電源電壓很多倍的自感電動(dòng)勢(shì)ｅＬ，ｅＬ與Ｅ疊加后作用在開(kāi)關(guān)Ｓ的兩端子上，在Ｓ的兩端子上產(chǎn)生電火花放電，這將影響設(shè)備的正常工作，使開(kāi)關(guān)Ｓ壽命縮短。接入二極管ＶＤ后，ｅＬ通過(guò)二極管ＶＤ產(chǎn)生放電電流ｉ，使電感Ｌ中儲(chǔ)存的能量不經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)Ｓ釋放，從而保護(hù)了開(kāi)關(guān)Ｓ。５．５特殊二極管５．５．１穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管又名齊納二極管，簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管，是一種用特殊工藝制作的面接觸型硅半導(dǎo)體二極管，它和普通二極管相比，正向特性相同，而反向擊穿電壓較低，且擊穿時(shí)的反向電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，擊穿電壓基本不變，體現(xiàn)恒壓特性。穩(wěn)壓管正是利用反向擊穿特性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的。此時(shí)的擊穿電壓也是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定工作電壓，用ＵＺ表示。穩(wěn)壓二極管廣泛用于穩(wěn)壓電源與限幅電路中。１．穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管正向偏置時(shí)，其特性和普通二極管一樣；反向偏置時(shí)，開(kāi)始一段和二極管一樣，當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值以后，反向電流突然上升，而且電流在一定范圍內(nèi)增長(zhǎng)時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓只有少許增加，變化很小，具有穩(wěn)壓性能。這種“反向擊穿”是可恢復(fù)的，只要外電路限流電阻保障通過(guò)穩(wěn)壓管的電流在限定范圍內(nèi)，就不致引起熱擊穿而損壞穩(wěn)壓管。圖５．５．１所示為穩(wěn)壓二極管的符號(hào)和伏安特性。穩(wěn)壓管雖然工作于反向擊穿區(qū)，但反向電流必須控制在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，此時(shí)ＰＮ結(jié)的結(jié)溫不會(huì)超過(guò)容許值而損壞，故這種反向擊穿是可逆的，即去掉反向電壓后，它可恢復(fù)正常。如果反向電流超出了容許值，穩(wěn)壓管會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)大而發(fā)熱損壞（熱擊穿），所以在使用時(shí)應(yīng)串入限流電阻予以保護(hù)。此時(shí)，電流變化范圍應(yīng)控制在ＩＺｍｉｎ＜Ｉ＜ＩＺｍａｘ之內(nèi)。９．工作方式工作方式是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下工作時(shí)，為保證其溫升不超過(guò)最高允許值，可持續(xù)行的時(shí)限。電動(dòng)機(jī)的工作方式主要有三大類。連續(xù)工作制（代號(hào)Ｓ１）電動(dòng)機(jī)可在額定狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度不會(huì)超出允許值；短時(shí)工作制（代號(hào)Ｓ２）電動(dòng)機(jī)只允許在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按額定值運(yùn)行，否則會(huì)造成電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，帶來(lái)安全隱患，規(guī)定時(shí)間分１０ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、６０ｍｉｎ和９０ｍｉｎ四種；連續(xù)周期工作制（代號(hào)Ｓ３）電動(dòng)機(jī)按系列相同的工作周期運(yùn)行，每期包括一段恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)間和一段停機(jī)、斷路時(shí)間。２．穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（１）穩(wěn)定電壓ＵＺ：擊穿后電流在規(guī)定值時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓。由于制造工藝的分散性，即使同型號(hào)的穩(wěn)壓管，ＵＺ的值也不一定相同。使用時(shí)可通過(guò)測(cè)量確定其準(zhǔn)確值。（２）額定功耗ＰＺ：由穩(wěn)壓管結(jié)溫限制所限定的參數(shù)。ＰＺ與ＰＮ結(jié)所用的材料、結(jié)構(gòu)及工藝有關(guān)，使用時(shí)不允許超過(guò)此值。只要不超過(guò)穩(wěn)壓管的額定功率，電流越大，穩(wěn)壓效果越好。（３）穩(wěn)定電流ＩＺ：穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)的參考電流。低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果較差，甚至根本不穩(wěn)壓，大于此值時(shí)，穩(wěn)壓效果較好。但穩(wěn)定電流受最大值ＩＺｍａｘ的限制，即ＩＺｍａｘ＝ＰＺ／ＵＺ。工作電流不允許超過(guò)此值，否則會(huì)燒壞穩(wěn)壓管.（４）動(dòng)態(tài)電阻ｒＺ：穩(wěn)壓管工作在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。反映在特性曲線上，是工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。ｒＺ值越小，穩(wěn)壓性能越好。對(duì)于不同型號(hào)的穩(wěn)壓管，ｒＺ的變化范圍為幾歐到幾十歐。對(duì)于同一只穩(wěn)壓管，工作電流越大，ｒＺ越小。（５）電壓溫度系數(shù)α：溫度每變化１℃所引起的穩(wěn)壓值的變化量，是反映穩(wěn)定電壓值受溫度影響的參數(shù)。通常，穩(wěn)定電壓小于４Ｖ的穩(wěn)壓管具有負(fù)溫度系數(shù)（屬于齊納擊穿，齊納擊穿具有負(fù)溫度系數(shù)），即溫度升高時(shí)穩(wěn)定電壓值下降；穩(wěn)定電壓大于７Ｖ的穩(wěn)壓管具有正溫度系數(shù)（屬于雪崩擊穿，雪崩擊穿具有正溫度系數(shù)），即溫度升高時(shí)穩(wěn)定電壓值上升；而穩(wěn)定電壓在４Ｖ到７Ｖ之間的穩(wěn)壓管，溫度系數(shù)非常小，近似為零（齊納擊穿和雪崩擊穿均有）。３．穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖５．５．２所示。圖中Ｕｉ為有動(dòng)的輸入電壓，并滿足Ｕｉ＞ＵＺ。Ｒ為限流電阻，它與穩(wěn)壓管ＶＤＺ配合起穩(wěn)壓作用，ＲＬ為負(fù)載。由于負(fù)載ＲＬ與穩(wěn)壓管并聯(lián)，因而此穩(wěn)壓電路稱為并聯(lián)式穩(wěn)壓電路。引起Ｕｏ電壓不穩(wěn)定的原因是電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載電流的變化，下面分析在這兩種情況下穩(wěn)壓電路的作用。（１）當(dāng)負(fù)載電阻不變而電網(wǎng)電壓波動(dòng)使輸出電壓Ｕｏ變化（如電網(wǎng)電壓上升而使輸入電壓Ｕｉ增大）時(shí)：當(dāng)電網(wǎng)電壓增大，整流濾波輸出電壓Ｕｉ增大，經(jīng)限流電阻和負(fù)載電阻分壓，使Ｕｏ（即ＵＺ）增大。ＵＺ增大將導(dǎo)致ＩＺ劇增，流過(guò)限流電阻的電流也要增大，從而限流電阻上的壓降ＵＲ增大，因?yàn)椋眨铮剑眨椋眨?，即抵消了Ｕｉ的增大。該調(diào)整過(guò)程可表示為當(dāng)電網(wǎng)電壓減小時(shí)，上述變化過(guò)程剛好相反，結(jié)果同樣使Ｕｏ穩(wěn)定。（２）當(dāng)電網(wǎng)電壓不變而負(fù)載電阻變化使輸出電壓變化（如負(fù)載電阻ＲＬ減小而使輸出電壓Ｕｏ下降）時(shí)：假設(shè)電網(wǎng)電壓保持不變，整流濾波輸出電壓Ｕｉ就不變，負(fù)載電阻ＲＬ減小，ＩＬ增大時(shí)，使流過(guò)限流電阻Ｒ上的電流增大而壓降升高，輸出電壓Ｕｏ（即ＵＺ）下降。當(dāng)穩(wěn)壓管兩端電壓ＵＺ有所下降時(shí)，電流ＩＺ將急劇減小，流過(guò)限流電阻的電流也要減小，從而使限流電阻上的壓降ＵＲ減小，因?yàn)椋眨铮剑眨椋眨?，即抵消了Ｕｏ的減小。該調(diào)整過(guò)程可表示為當(dāng)負(fù)載電阻增大時(shí)，上述變化過(guò)程剛好相反，結(jié)果同樣使Ｕｏ穩(wěn)定。由以上分析可見(jiàn)，電路穩(wěn)壓的實(shí)質(zhì)在于通過(guò)穩(wěn)壓管調(diào)整電流的作用和通過(guò)電阻Ｒ的調(diào)壓作用達(dá)到穩(wěn)壓的目的。由穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)式穩(wěn)壓電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在輸出電流不大（幾毫安到幾十毫安）、輸出電壓固定、穩(wěn)壓要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用。４．集成穩(wěn)壓電路隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，從２０世紀(jì)７０年代開(kāi)始，集成穩(wěn)壓電路迅速發(fā)展起來(lái)，并得到日益廣泛的應(yīng)用。集成穩(wěn)壓電路分為線性集成穩(wěn)壓電路和開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓電路兩種。前者適用于功率較小的電子設(shè)備，后者適用于功率較大的電子設(shè)備。這里將介紹一種目前國(guó)內(nèi)外使用最廣、銷售量最大的三端集成穩(wěn)壓器，它具有體積小、使用方便、內(nèi)部含有過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)電路、使用安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。三端集成穩(wěn)壓器又分為三端固定式集成穩(wěn)壓器和三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器兩種，前者輸出電壓是固定的，后者輸出電壓是可調(diào)的。１）三端固定式集成穩(wěn)壓器國(guó)產(chǎn)三端固定式集成穩(wěn)壓器的型號(hào)有ＣＷ７８××系列和ＣＷ７９××系列兩種，外形如圖５．５．３所示，它只有三個(gè)引腳。ＣＷ７８××系列為正電壓輸出的集成穩(wěn)壓器，引腳１為輸入端，２為輸出端，３為公共端，接線圖如圖５．５．４所示。ＣＷ７９××系列為負(fù)