第6章晶體管及其應(yīng)用(1)PN結(jié)及晶體二極管

第二篇電子技術(shù)基礎(chǔ)第6章(1)PN結(jié)及晶體二極管第6章(2)晶體三極管及基本放大電路第6章(3)集成運(yùn)算放大器功率放大器第7章門電路及組合邏輯電路第8章觸發(fā)器和時序邏輯電路第9章555定時器及其應(yīng)用第二篇2014年8月制作陳祝華主編黃淑琴PN結(jié)及其單向?qū)щ娦跃w二極管及其應(yīng)用PN結(jié)及晶體二極管主要授課內(nèi)容第6章6.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.2.1

晶體二極管6.2.2

穩(wěn)壓二極管6.2.3

發(fā)光二級管6.2晶體二極管及其應(yīng)用第1頁6.2.4

變?nèi)荻壒?.2.5

晶體二級管的基本應(yīng)用電路

物質(zhì)按導(dǎo)電能力的不同可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)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(dǎo)體，它們的電導(dǎo)率在105S·cm-1量級；而像塑料、云母、陶瓷等幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)稱為絕緣體，它們的電導(dǎo)率在10-22~10-14S·cm-1量級；導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，它們的電導(dǎo)率在10-9~102S·cm-1量級。自然界中屬于半導(dǎo)體的物質(zhì)有很多種類，目前用來制造半導(dǎo)體器件的材料大多是提純后的單晶型半導(dǎo)體，主要有硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵（GaAs)等。

6.1

半導(dǎo)體的基本知識第3頁（1）通過摻入雜質(zhì)可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。例如，室溫30°C時，在純凈鍺中摻入一億分之一的雜質(zhì)（稱摻雜），其電導(dǎo)率會增加幾百倍。

（2）溫度可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。利用這種熱敏效應(yīng)可制成熱敏器件，但另一方面，熱敏效應(yīng)使半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性下降。因此，在半導(dǎo)體構(gòu)成的電路中常采用溫度補(bǔ)償及穩(wěn)定參數(shù)等措施。（3）光照不僅可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，還可以產(chǎn)生電動勢，這就是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)可制成光敏電阻、光電晶體管、光電耦合器和光電池等。光電池已在空間技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，為人類利用太陽能提供了廣闊的前景。

半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂幸韵绿匦浴?/p>

1.

半導(dǎo)體的獨(dú)特性能第3頁

由此可以看出：半導(dǎo)體不僅僅是電導(dǎo)率與導(dǎo)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(dǎo)體器件取得了舉世矚目的發(fā)展。2.本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）天然的硅和鍺提純后形成單晶體，稱為本征半導(dǎo)體一般情況下，本征半導(dǎo)體中的載流子濃度很小，其導(dǎo)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(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)中的共價鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，在熱力學(xué)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(dǎo)電第3頁

當(dāng)半導(dǎo)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”?？昭ㄗ杂呻娮颖菊靼雽?dǎo)體中產(chǎn)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(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運(yùn)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。在半導(dǎo)體中同時存在自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，這種導(dǎo)電機(jī)理和金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理具有本質(zhì)上的區(qū)別。第3頁

在純凈的硅（或鍺）中摻入微量的磷或砷等五價元素，雜質(zhì)原子就替代了共價鍵中某些硅原子的位置，雜質(zhì)原子的四個價電子與周圍的硅原子結(jié)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(zhì)原子的束縛被激發(fā)成自由電子。同時雜質(zhì)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(jié)構(gòu)中，不能移動，所以它不參與導(dǎo)電。

雜質(zhì)離子產(chǎn)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(chǎn)生空穴。由于多余的電子是雜質(zhì)原子提供的，故將雜質(zhì)原子稱為施主原子。

摻入五價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，其自由電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，因此稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)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(zhì)半導(dǎo)體相對金屬導(dǎo)體而言，本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少，因此導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，將使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化，我們把這些摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為N型和P型兩大類。

N型半導(dǎo)體第3頁不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)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(fù)電荷數(shù)相等，仍然呈電中性而不帶電。應(yīng)注意：P型半導(dǎo)體

在P型半導(dǎo)體中，由于雜質(zhì)原子可以接收一個價電子而成為不能移動的負(fù)離子，故稱為受主原子。

摻入三價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，其空穴的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子的濃度，因此稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。在硅（或鍺）晶體中摻入微量的三價元素雜質(zhì)硼（或其他），硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價鍵時，將因缺少一個價電子而形成一個空穴。當(dāng)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(bǔ)這個空穴，使硼原子得電子而成為不能移動的負(fù)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(dǎo)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頁正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)電場，它對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時，內(nèi)電場對少數(shù)載流子起推動作用，把少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。

3.PN結(jié)

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

左圖所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導(dǎo)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(zhì)負(fù)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(zhì)正離子。根據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生復(fù)合(耗盡），形成載流子極少的正負(fù)空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)域，這就是PN結(jié)，又叫耗盡層。第3頁空間電荷區(qū)

PN結(jié)中的擴(kuò)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(kuò)散運(yùn)動逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動則逐漸增強(qiáng)，最后兩者達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來，PN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

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

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)第3頁少子漂移

擴(kuò)散與漂移達(dá)到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)多子擴(kuò)散

形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場

促使阻止第3頁擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動相互聯(lián)系又相互矛盾，擴(kuò)散使空間電荷區(qū)加寬，促使內(nèi)電場增強(qiáng)，同時對多數(shù)載流子的繼續(xù)擴(kuò)散阻力增大，但使少數(shù)載流子漂移增強(qiáng)；漂移使空間電荷區(qū)變窄，電場減弱，又促使多子的擴(kuò)散容易進(jìn)行。繼續(xù)討論當(dāng)漂移運(yùn)動達(dá)到和擴(kuò)散運(yùn)動相等時，PN結(jié)便處于動態(tài)平衡狀態(tài)?？梢韵胂?，在平衡狀態(tài)下，電子從N區(qū)到P區(qū)擴(kuò)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(kuò)散電流和漂移電流也必然相等。即總的多子擴(kuò)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(jié)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(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對方，或被對方擴(kuò)散過來的多數(shù)載流子復(fù)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(kuò)散作用越強(qiáng)，耗盡層越寬。

PN結(jié)具有電容效應(yīng)。結(jié)電容是由耗盡層引起的。耗盡層中有不能移動的正、負(fù)離子，各具有一定的電量，當(dāng)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(yīng)。

第3頁3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，也是由PN結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。PN結(jié)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(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散運(yùn)動大大超過少子的漂移運(yùn)動，N區(qū)的電子不斷擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴也不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。第3頁P(yáng)端引出極接電源負(fù)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(nèi)、外電場方向相同，因此內(nèi)電場增強(qiáng)，致使多子的擴(kuò)散難以進(jìn)行，即PN結(jié)對反向電壓呈高阻特性；反偏時少子的漂移運(yùn)動雖然被加強(qiáng)，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(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。PN結(jié)的“正偏導(dǎo)通，反偏阻斷”稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì)，這正是PN結(jié)構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

第3頁討論題

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

雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子和少子性質(zhì)取決于雜質(zhì)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(dǎo)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(gòu)成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)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(bǔ)，因此價電子填補(bǔ)空穴的空穴運(yùn)動是主要形式，所以多子是空穴，少子是電子。雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子是怎樣產(chǎn)生的？為什么P型半導(dǎo)體中的空穴多于電子？

N型半導(dǎo)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(dǎo)體中正負(fù)電荷數(shù)量相等，呈電中性而不帶電。N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是電子，能否認(rèn)為這種半導(dǎo)體就是帶負(fù)電的？為什么？

空間電荷區(qū)的電阻率為什么很高？何謂PN結(jié)的單向?qū)щ娦?？?頁

2.半導(dǎo)體在熱（或光照等）作用下產(chǎn)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(chǎn)生的同時，運(yùn)動中的電子又會“跳進(jìn)”另一個空穴，重新被共價鍵束縛起來，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合，即復(fù)合中電子空穴對被“吃掉”。在一定的溫度下，電子、空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合都在不停地進(jìn)行，最終處于一種平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體中載流子濃度一定。

1.半導(dǎo)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(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的濃度，所以基本上不受溫度影響。

4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)的正向電阻很小，因此正向偏置時電流極易通過；同時PN結(jié)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(nèi)電場總是阻礙多數(shù)載流子（電流）的擴(kuò)散運(yùn)動作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過，也就是說，空間電荷區(qū)對擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻。第3頁6.2

晶體二極管及其應(yīng)用1.二極管的結(jié)構(gòu)和類型一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線并用管殼封裝起來，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡稱二極管，接在P型半導(dǎo)體一側(cè)的引出線稱為陽極；接在N型半導(dǎo)體一側(cè)的引出線稱為陰極。半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積很小，因而結(jié)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(yīng)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(guān)元件等。

面接觸型二極管PN結(jié)面積大，因而能通過較大的電流，但其結(jié)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(shí)物圖第3頁6.2.1

晶體二極管2.二極管的伏安特性

二極管的電路圖符號如右圖所示：（1）正向特性二極管外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài)。

反向電壓大于擊穿電壓時，反向電流急劇增加。正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。（2）反向特性外加反向電壓時，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流很??；

顯然二極管的伏安特性不是直線，因此屬于非線性電阻元件。導(dǎo)通后二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.6～0.8V，鍺管約為0.2～0.3V。溫度上升，死區(qū)電壓和正向壓降均相應(yīng)降低。

第3頁

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IF：指管子長期運(yùn)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(yùn)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?qū)щ娦栽胶谩?.二極管的應(yīng)用舉例二極管應(yīng)用范圍很廣，主要是利用它的單向?qū)щ娦裕Ｓ糜谡?、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中用作開關(guān)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頁討論P(yáng)N結(jié)擊穿現(xiàn)象包括哪些？擊穿是否意味著二極管的永久損壞？反向電壓增加到一定大小時，通過二極管的反向電流劇增，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿。

反向擊穿電壓一般在幾十伏以上（高反壓管可達(dá)幾千伏）。反向擊穿現(xiàn)象分有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。

雪崩擊穿：PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強(qiáng)。通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，在內(nèi)電場作用下獲得較大能量，它們運(yùn)動時不斷地與晶體中其它原子發(fā)生碰撞，通過碰撞使其它共價鍵產(chǎn)生本征激發(fā)又出現(xiàn)電子–空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的電子—空穴對與原有的電子和空穴一樣，在電場作用下，也向相反的方向運(yùn)動，重新獲得能量，再通過碰撞其它原子，又產(chǎn)生電子–空穴對，從而形成載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值，載流子的倍增情況就像在陡峻的山坡上積雪發(fā)生雪崩一樣，突然使反向電流急劇增大，發(fā)生二極管的雪崩擊穿。

齊納擊穿：在加有較高的反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存一個強(qiáng)電場，它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子–空穴對，形成較大的反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場強(qiáng)度約為2×10V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達(dá)到，因?yàn)殡s質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度也大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場強(qiáng)度可能很高，致使PN結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿。

齊納擊穿和雪崩擊穿都不會造成二極管的永久性損壞。第3頁第3頁第3頁例穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其實(shí)物圖、圖符號及伏安特性如圖所示：

當(dāng)反向電壓加到某一數(shù)值時，反向電流劇增，管子進(jìn)入反向擊穿區(qū)。圖中UZ穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值。6.2.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管實(shí)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(dá)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6.2.2穩(wěn)壓二極管第3頁6.2.2穩(wěn)壓二極管注意：

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內(nèi)。穩(wěn)壓管在應(yīng)用中要采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流值，以保證管子不會造成熱擊穿。

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ：反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的電流。（3）動態(tài)電阻rZ：穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應(yīng)電流的變化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ（4）耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流IZM。額定耗散功率PZM是在穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下的最大功率損耗。IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。二者關(guān)系可寫為：PZM=UZIZM討論回顧二極管的反向擊穿時特性：當(dāng)反向電壓超過擊穿電壓時，流過管子的電流會急劇增加。

擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，就能保證管子不因過熱而燒壞。在反向擊穿狀態(tài)下，讓流過管子的電流在一定的范圍內(nèi)變化，這時管子兩端電壓變化很小，利用這一點(diǎn)可以達(dá)到“穩(wěn)壓”的效果。穩(wěn)壓管是怎么實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的？第3頁第3頁6.2.2穩(wěn)壓二極管6.2.3

發(fā)光二極管單個發(fā)光二極管實(shí)物發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。左圖所示為發(fā)光二極管的實(shí)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(shè)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。

第3頁6.2.4

光電二極管光電二極管也和普通二極管一樣，管芯由PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。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(jī)玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。第3頁6.2.5

變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管的PN結(jié)反向偏置時的結(jié)電容隨反向電壓變化而有較大的變化。在電子技術(shù)中，變?nèi)荻O管常作為調(diào)諧電容使用。改變其反向電壓大小以使結(jié)電容隨之變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)LC振蕩回路的振蕩頻率。第3頁電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電源的組成框圖6.2.6晶體二極管的基本應(yīng)用電路6.2.6.1整流電路一、單相半波整流電路

下圖是單相半波整流電路，該電路由電源變壓器T、整流二極管VD及負(fù)載電阻RL組成。單相半波整流電路在u2的負(fù)半周，二極管因承受反向電壓而截止，

uo=0。

圖6-16單相半波整流波形1．整流原理

u2的正半周，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，

uo=u2。設(shè)u2=U2sinωt2．負(fù)載電壓及電流直流脈動電壓：整流電壓方向不變，但大小變化。平均電壓Uo：一個周期的平均值Uo表示直流電壓的大小。電阻性負(fù)載的平均電流為Io，即

3．選用二極管的原則為了安全地使用二極管，選用二極管必須滿足以下原則：

IF≥ID

URM≥UDM式中，IF為最大整流電流（A)，URM為最高反向工作電壓(V)。在交流電壓的負(fù)半周，二極管截止，u2電壓全部加在二極管上，二極管所承受的最高反向電壓UDM為u2的峰值，即UDM=U2

。二極管導(dǎo)通時的電流為負(fù)載電流，所以二極管平均電流ID=Io。有一單相半波整流電路，如下圖所示。已知負(fù)載電阻RL=750Ω，變壓器二次電壓U2=20V，試求Uo、Io及UDM。Uo=0.45U2=0.45×20V=9V=0.012A=12mAUDM=U2=×20V=28.2V

ID=Io=12mA

例解單相半波整流電路二、單相橋式整流電路單相橋式整流電路是由四個二極管接成電橋的形式構(gòu)成。單相橋式整流電路常用畫法簡化畫法1．整流原理

u2

正半周，

u2的實(shí)際極性為a正b負(fù)，二極管VD1

和VD3導(dǎo)通，VD2

、VD4截止，uo=u2，如圖6-17所示。波形如圖中的0～π段。單相橋式整流原理單相橋式整流原理

u2的負(fù)半周，u2實(shí)際極性為a負(fù)b正，二極管VD2

、VD4導(dǎo)通，VD1

、VD3截止，uo=-u2。如圖6-17所示。波形如圖中的π～2π段。圖6-17單相橋式整流波形2．負(fù)載電壓和電流全波整流電路的整流電壓的平均值Uo比半波整流增加一倍，即Io=0.9Uo=2×0.45U2=0.9U2

3．選用二極管的原則二極管截止時所承受的反向電壓可以看出。若VD1、VD3

兩只二極管導(dǎo)通時，就將u2加到了二極管VD2、VD4的兩端，使這兩只二極管因承受反向電壓而截止，即二極管承受的最高反向電壓UDM=U2

IF≥ID

URM≥UDM

每只二極管只在半個周期內(nèi)導(dǎo)通，所以在一個周期內(nèi)流過每個管子的平均電流只有負(fù)載電流的一半，即ID=Io/2。二極管的選擇原則：已知負(fù)載電阻RL=80Ω，要求負(fù)載電壓Uo=110V?，F(xiàn)采用單相橋式整流電路，試求變壓器二次側(cè)電壓有效值U2。

U2=V=122V

負(fù)載電流平均值U2=U2=

Io=A=1.4A

每個二極管通過的平均電流ID=Io=0.7A

UDM=U2=×122V=172.5V例解一、電容濾波器圖中與負(fù)載并聯(lián)的電容就是一個最簡單的濾波器。單相半波整流電容濾波6.2.6.2濾波電路單相橋式整流電容濾波1．電容濾波原理電容濾波輸出波形圖中的虛線和實(shí)線分別表示整流電路不接濾波電容和接濾波電容的波形。半波整流電容濾波原理分析

當(dāng)u2由零逐漸增大時，二極管VD導(dǎo)通，一方面供電給負(fù)載，同時對電容C充電，電容電壓uC的極性為上正下負(fù)，如果忽略二極管的壓降，則在VD導(dǎo)通時，

uC（=uo）與u2

同步上升，并達(dá)到u2的最大值。

u2到最大值后開始下降，當(dāng)u2＜uC時，VD反向截止，電源不再向負(fù)載供電，而是電容對負(fù)載放電。電容放電使uC以一定的時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，直到下一個正半波u2＞uC時，VD又導(dǎo)通，電容再次被充電…。充電放電的過程周而復(fù)始，使得輸出電壓波形如圖的實(shí)線所示。

橋式整流電容濾波的原理與此相同，只不過在一個周期內(nèi)電容充電、放電兩次。由于電容向負(fù)載放電的時間縮短了，因此輸出電壓波形比半波整流電容濾波更加平滑，波形如圖所示。

橋式整流電容濾波的原理2．電容濾波特點(diǎn)1）輸出電壓的直流平均值提高了。

2）只適用于負(fù)載電流較小且負(fù)載不常變化的場合。

Uo=U2（半波）

Uo=1.2U2（全波）如果電容和電阻都比較大，Uo≈U2。確定電容值的經(jīng)驗(yàn)公式為3）電容濾波電路的輸出電壓隨輸出電流而變化，經(jīng)驗(yàn)公式C≥（3～5）T/RL

（半波）C≥（3～5）T/2RL

（全波）式中，T是電源交流電壓的周期。4）τ(放電時間常數(shù))越大，二極管的導(dǎo)通角越小，因此整流管在短暫的時間內(nèi)流過較大的沖擊電流，常稱為浪涌電流，對管子的壽命不利，所以必須選擇容量較大的整流二極管。由半波整流電容濾波電路圖6-16可知，uD=u2－uC，在u2負(fù)半周的極值點(diǎn)處，二極管承受的最高反向電壓值UDM≈2

U2。由橋式整流電容濾波電路圖6-17可知，二極管承受的最高反向電壓UDM=

U2。有一單相橋式整流電容濾波電路如圖6-17所示，交流電源頻率f=50HZ，負(fù)載電阻RL=200Ω，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容。（1）選擇整流二極管由經(jīng)驗(yàn)公式：Uo=1.2U2

選用二極管2CP11，最大整流電流為100mA，反向工作峰值電壓為50V。例8-3解（2）選擇濾波電容器由經(jīng)驗(yàn)公式，取C=5T/2RL，所以

μF

查系列選用C=270μF，耐壓為50V的極性電容。

二、電感濾波器由于電容濾波帶負(fù)載能力較差。對于負(fù)載電流較大且負(fù)載經(jīng)常變化的場合，采用電感濾波，在負(fù)載前串聯(lián)電感線圈，如圖所示。

電感濾波電路1.濾波原理

當(dāng)負(fù)載電流增加時，電感將產(chǎn)生與電流方向相反的自感電動勢，阻止電流的增加。當(dāng)負(fù)載電流減小時，電感產(chǎn)生與電流方向相同的自感電動勢，阻止電流減小。負(fù)載電流的脈動成分減小，在負(fù)載電阻RL上就能獲得一個比較平滑的直流輸出電壓uo，波形如下頁實(shí)線所示。顯然，電感L值越大，濾波效果越好。電感濾波波形2．輸出電壓若忽略電感線圈的電阻，則電感線圈上無直流電壓降，無論負(fù)載電阻怎樣變動,整流輸出的直流分量幾乎全部落在RL上，因此電感濾波輸出電壓平均值較穩(wěn)定，其值為

Uo≈0.9U2

3．電感濾波器的特點(diǎn)電感濾波適用于電流較大且負(fù)載經(jīng)常變化的場合，但由于電感體積大、成本高，因此，濾波電感常取幾毫亨到幾十毫亨，并且在小功率的電子設(shè)備中很少采用電感濾波。三、復(fù)式濾波器電容濾波和電感濾波各有千秋，且優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)。在一些直流用電設(shè)備中，既要求電源電壓脈動小，又要求電源能適應(yīng)負(fù)載變化，為此，常采用由電容和電感以及電阻組成的復(fù)式濾波器，復(fù)式濾波進(jìn)一步提高了濾波效果同時又不降低帶負(fù)載能力。a)圖6-21LC型濾波器b)圖6-22LC-π型濾波器c）RC-π型濾波器

6.2.6.3穩(wěn)壓電路一、穩(wěn)壓管并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

圖6-23穩(wěn)壓管并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

不變Ui不變RL不變IZ的減小補(bǔ)償Io的增大，使IR基本保持不變，輸出電壓Uo近似穩(wěn)定不變，電阻R起調(diào)節(jié)電壓的作用。UR的增大抵消Ui的增大，使輸出電壓基本保持不變。1.穩(wěn)壓原理2.穩(wěn)壓管的選擇一般取UZ=Uo

IZM=（1.5～3）IoM

Ui=（2～3）Uo

某穩(wěn)壓電路如圖6-23所示。負(fù)載電阻RL由開路變到3kΩ，整流濾波后的輸出電壓Ui=45V。今要求輸出直流電壓Uo=15V，試選擇穩(wěn)壓管VS。由輸出電壓Uo=15V，負(fù)載電流最大值

查選擇穩(wěn)壓管2CW20，其穩(wěn)壓值UZ=13.5～17V，穩(wěn)定電流IZ=5mA，最大穩(wěn)定電流IZM=15mA。

例解二、恒壓源由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和運(yùn)算放大器組成的恒壓源的輸出電壓不僅可調(diào)而且因引入了電壓負(fù)反饋而穩(wěn)定。反相輸入恒壓源同相輸入恒壓源串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

IC三、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

恒壓源電路輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)，但運(yùn)放的輸出電流較小，改進(jìn)電路