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，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1.本征半導(dǎo)體GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。現(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（價電子）都是四個。

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1.本征半導(dǎo)體

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)?？昭?/p>

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)合達到動態(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)樨撾x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。（2）P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的符號－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－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)過載流子的擴散，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++++++++++++++++++++++++多子擴散運動內(nèi)電場E少子漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬?？臻g電荷區(qū)越寬，內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。多子邊擴散邊復(fù)合漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，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)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴、N區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。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)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。+_空穴自由電子（2）PN

結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，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，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，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)。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層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1.2半導(dǎo)體二極管1.二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)

符號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遠遠大于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二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊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的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?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、保護等等。選用二極管時還需注意交流參數(shù)。（4）微變電阻rDiDuDIDUDQrD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對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，陽極接正、陰極接負

）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、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，

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

=－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。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–1.3半導(dǎo)體二極管的簡單應(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、溫度補償?shù)取i18V參考點二極管陰極電位為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：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0，反向截止時：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}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:消除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,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正半周時電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負半周時電流通路u2>0時D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A

D1RLD3Bu2<0時D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:BD2RLD4A輸出是脈動的直流電壓！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，負載電壓Uo的平均值為:2.負載平均電流（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，每個二極管只有半周導(dǎo)。因此，流過每只整流二極管的平均電流ID

是負載平均電流的一半。

二極管截止時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單向全波整流電路+–+–+–+–變壓器副邊中心抽頭，感應(yīng)出兩個相等的電壓u2當(dāng)u2正半周時，D1導(dǎo)通，D2截止。當(dāng)u2負半周時，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：幾種常見的硅整流橋外形+AC-~+~-~+-~交直流管腳用錯將如何？造成短路燒毀變壓器！濾波電路的結(jié)構(gòu)特點:

電容與負載RL并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)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（忽略整流電路內(nèi)阻）u2tuot設(shè)t1時刻接通電源t1充電結(jié)束沒有電容時的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–無放電回路電壓保持（2）RL接入（且RLC較大）時（忽略整流電路內(nèi)阻）u2tuot

在u2小于電容電壓時，二極管截止，電容不充電，電容通過RL放電，uo會逐漸下降。當(dāng)電容電壓下降到低于u2時，又開始充電。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–u2tuot只有u2電壓大于uC時，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，采用電容濾波時，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）流過二極管瞬時電流很大。RLC越大Uo越高

負載電流的平均值越大;

整流管導(dǎo)電時間越短iD的峰值電流越大故一般選管時，取2.電容濾波電路的特點（1）輸出電壓Uo與放電時間常數(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，負載電流較小且負載變動不大的場合。（3）輸出特性（外特性）uo電容濾波純電阻負載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對直流分量:

XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:

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，輸出平均電壓約為：u2u1RLLuo電感濾波的特點：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)的場合。缺點是電感鐵芯笨重，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）動態(tài)電阻負載電阻。求輸入電壓分別為10V、15V、20V時的輸出電壓和流過二極管的電流。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)時能正常工作UoIZDZRILIUiRL+－限流電阻+－可見，該電路中穩(wěn)壓管能正常工作的最小輸入電壓為15V，此時輸出電壓U0＝6V，流過穩(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流過穩(wěn)壓二極管的電流為I－IO＝14－6＝8mA若Ui＝10V，穩(wěn)壓管未進入反向擊穿區(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，價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(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)部附有短路和過熱保護環(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，使用時一定要先查手冊。注：型號后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。