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(huì)分析含有二極管的電路。

學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問(wèn)題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)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(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。

對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過(guò)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(duì)于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過(guò)分追究其內(nèi)部機(jī)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(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)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(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

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)?？昭囟扔撸w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。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(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(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。

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(shí)，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(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)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(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)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(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

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)。內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)

P接負(fù)、N接正內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，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(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)。內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)兩者平衡PN結(jié)寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴(kuò)散強(qiáng)漂移強(qiáng)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(diǎn)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(kāi)關(guān)電路中。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

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

d

)符號(hào)D二極管的伏安特性

所謂二極管的伏安特性是指流過(guò)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(gè)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(jiàn)，二極管的伏安特性是非線性的，大致可分為四個(gè)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(jiàn)當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，由于外電場(chǎng)還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子(除少量較大者外)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(shí)，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，當(dāng)電壓再繼續(xù)增加時(shí)，電流將急劇增加，而二極管的電壓卻幾乎不變，此時(shí)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(shí)，由于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成很小的反向電流。反向電流有兩個(gè)特點(diǎn)，一是它隨溫度的上升增長(zhǎng)很快，一是在反向電壓不超過(guò)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(wú)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?yàn)?，少?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(guò)某一范圍時(shí)，反向電流很小且基本恒定。此時(shí)，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(guò)高時(shí)，反向電流將突然增加，二極管失去單向?qū)щ娦?，這種現(xiàn)象稱為擊穿。二極管被擊穿后，一般不能恢復(fù)原來(lái)的性能，便失效了。產(chǎn)生擊穿時(shí)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(qiáng)電場(chǎng)中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格而將價(jià)電子碰撞出來(lái)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，新產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)作用下獲得足夠能量后又通過(guò)碰撞產(chǎn)生電子空穴對(duì)。如此形成連鎖反應(yīng)，反向電流越來(lái)越大，最后使得二極管反向擊穿，另一種原因是強(qiáng)電場(chǎng)直接將共價(jià)鍵中的價(jià)電于拉出來(lái)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，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(diǎn)：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(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(guò)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(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)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(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(kāi)，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(yáng)

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽(yáng)

<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(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開(kāi)。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(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)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(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。V1陽(yáng)

=－6V，V2陽(yáng)=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(guò)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(kāi)路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫(huà)出uo

波形。8V例4：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開(kāi)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++––9.4.1

穩(wěn)壓二極管1.符號(hào)UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(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。_+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(shí)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(dòng)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(shí)處于反向擊穿狀態(tài)，并通過(guò)制造工藝保證PN結(jié)不會(huì)被熱擊穿。所以，在切斷電源后，管子能恢復(fù)原來(lái)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(hào)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(shí)，就能發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光。目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)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(wú)光照時(shí),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(shí),產(chǎn)生的反向電流稱為光電流。照度E越強(qiáng)，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(shí)必須放大。符號(hào)9.5

整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。

常見(jiàn)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(shí)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(wú)窮大。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦評(píng)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(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