第6章 晶体管及其应用(1) PN结及晶体二极管

1、第二篇第二篇 PN结及晶体二极管 第第6章章 6.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 6.2.1 晶体二极管晶体二极管 6.2.2 稳压二极管稳压二极管 6.2.3 发光二级管发光二级管 6.2 晶体二极管及其应用晶体二极管及其应用 第第1页页 6.2.4 变容二级管变容二级管 6.2.5 晶体二级管的基晶体二级管的基 本应用电路本应用电路 第第3页页 第第3页页 一般情况下，本征半导体中的载流子浓度一般情况下，本征半导体中的载流子浓度 很小，其导电能力较弱，且受温度影响很很小，其导电能力较弱，且受温度影响很 大，不稳定，因此其用途还是很有限的。大，不稳定，因此其用途还是很有限的。 硅和

2、锗硅和锗 的简化的简化 原子模原子模 型。型。 这是硅和锗构成的这是硅和锗构成的 共价键结构示意图共价键结构示意图 晶体结构中的晶体结构中的 共价键具有很强的共价键具有很强的 结合力，在热力学结合力，在热力学 零度和没有外界能零度和没有外界能 量激发时，价电子量激发时，价电子 没有能力挣脱共价没有能力挣脱共价 键束缚，这时晶体键束缚，这时晶体 中几乎没有自由电中几乎没有自由电 子，因此不能导电子，因此不能导电 第第3页页 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键 中的价电子中的价电子因热激发因热激发而获得足够的能量，因

3、而能脱离共价键的束缚成为而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为 ，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“” 。 空穴空穴 自由自由 电子电子 本征半导体中产生电子本征半导体中产生电子空穴对的现象称为空穴对的现象称为 显然在外电场的作用下，半导体中将出现两显然在外电场的作用下，半导体中将出现两 部分电流：一是自由电子作定向运动形成的部分电流：一是自由电子作定向运动形成的 ，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由 电子）递补空穴形成的电子）递补空穴形成的。 共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价共价键中失去电子出

4、现空穴时，相邻原子的价 电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空 穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现 一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填 补，再出现空穴，如右图所示。补，再出现空穴，如右图所示。 在半导体中同时存在在半导体中同时存在和和两种两种 参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有 本质上的区别。本质上的区别。 第第3页页 在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷

5、等五价元五价元 素素，杂质原子就替代杂质原子就替代了共价键中了共价键中某些硅原子的位置某些硅原子的位置，杂，杂 质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下 的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的 束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电 子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构 中，不能移动，所以它不参与导电中，不能移动，所以它不参与导电。 杂质离子产生的自由电子不是共价键

6、中的价电子，杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子， 因此与本征激发不同，它不会产生空穴因此与本征激发不同，它不会产生空穴。 由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子 称为称为。 掺入五价元素的杂质半导体，其掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称，因此称 为为半导体半导体，也叫做，也叫做半导体半导体。 在在半导体中，半导体中，载流子载流子（简称多子），（简称多子），载载 流子流子（简称少子）；不能移动的（简称少子）；不能移动的。 相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导

7、电能力仍然很低。相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。 如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺 入杂质的半导体称为入杂质的半导体称为杂质半导体可以分为杂质半导体可以分为两大类。两大类。 第第3页页 不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然型半导体，虽然 都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的 正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。 在在P型半导体中，由于杂质原子可

8、以型半导体中，由于杂质原子可以 而成为而成为的负离子，故称为的负离子，故称为 。 掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓 度远远大于自由电子的浓度，因此称为度远远大于自由电子的浓度，因此称为 半导体半导体，也叫做，也叫做半导体半导体。 在硅（或锗）晶体中掺入微量的在硅（或锗）晶体中掺入微量的杂质硼（或其他），硼原杂质硼（或其他），硼原 子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而 形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热

9、振动或在其他激发条件下 获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子得电子而成为而成为不能移动不能移动 的负离子的负离子；而原来的硅原子共价键则因；而原来的硅原子共价键则因缺少缺少一个电子，出现一个一个电子，出现一个空穴空穴。 于是半导体中的空穴数目大量增加。于是半导体中的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子空穴成为多数载流子，而自由电子 则成为少数载流子则成为少数载流子。 第第3页页 正负空间电荷在交界面两侧形成一个由正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向区指向P区的电场，称为区的电场，称为内电场内电场，它，它对对 多数载流子的扩

10、散运动起阻挡作用多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为，所以空间电荷区又称为阻挡层阻挡层。同时，内电场对。同时，内电场对 少数载流子起推动作用，把少数载流子起推动作用，把少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为。 P型和型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型或型或 P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或型或N 型半导体，在型半导体，在P型和型和N型半导体的交界面就会形成型半导体的交界面就会形成PN结。

11、结。 。 左图所示的是一块晶片，两边分别形成左图所示的是一块晶片，两边分别形成P 型和型和N型半导体。为便于理解，图中型半导体。为便于理解，图中P区仅区仅 画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的 三价杂质负离子，三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多区仅画出自由电子（多 数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离 子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区区 向向N区扩散，自由电子要从浓度高的区扩散，自由电子要从浓度高的N区向区向P 区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽）

12、，形耗尽），形 成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区 域，这就是域，这就是，又叫，又叫。 第第3页页 空间电荷区空间电荷区 PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条。在一定条 件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载 流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的 宽度基本稳定下来，宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。结就处于相对稳定的

13、状态。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 根据扩散原理，空穴要从浓度高的根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向区向N区扩散，自由电子要从浓度区扩散，自由电子要从浓度 高的高的N区向区向P区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正耗尽），形成载流子极少的正 负空间电荷区（如上图所示），也就是负空间电荷区（如上图所示），也就是，又叫，又叫。 P区 N区 空间电荷区空间电荷区 第第3页页 少子少子 漂移漂移 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的形成一定宽度的PN结结 P 区 N 区 载流子的扩散

14、运动 多子多子 扩散扩散 形成空间电荷区形成空间电荷区 产生内电场产生内电场 P 区 空间电荷区 N 区 PN 结及其内电场 内电场方向 第第3页页 扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾， ，同时，同时对多数载流子的继续扩对多数载流子的继续扩 散阻力增大散阻力增大，但，但使少数载流子漂移增强使少数载流子漂移增强； ，又，又促使多子的扩散容易进行促使多子的扩散容易进行。 继续讨论继续讨论 当漂移运动达到和扩散运动相等时，当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于结便处于状态。可状态。可 以想象，在平衡状态下，电子从以想象，在平衡状态下，电子从N区到区到P区

15、扩散电流必然等于从区扩散电流必然等于从P区到区到N 区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即 。 由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来 的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为 。扩散作用越强，耗尽层越宽。扩散作用越强，耗尽层越宽。 第第3页页 空空间间电电荷荷区区变变窄窄 R 内内电电场场 外外电电场场 P N I正正向向 US 第第3页页 E R

16、 内电场 外电场 空间电荷区 变宽 P N IR 第第3页页 讨论题讨论题 半导体的导电机理与金属导 体的导电机理有本质的区别：金金 属导体中只有一种载流子属导体中只有一种载流子自由自由 电子参与导电，半导体中有两种电子参与导电，半导体中有两种 载流子载流子自由电子和空穴参与导自由电子和空穴参与导 电，电，而且这两种载流子的浓度可 以通过在纯净半导体中加入少量 的有用杂质加以控制。 半导体导电机理半导体导电机理 和导体的导电机和导体的导电机 理有什么区别？理有什么区别？ 杂质半导体中的多子和少子杂质半导体中的多子和少子 性质取决于杂质的外层价电子。性质取决于杂质的外层价电子。 若掺杂的是五价元

17、素，则由于多 电子形成N型半导体：多子是电 子，少子是空穴；如果掺入的是 三价元素，就会由于少电子而构 成P型半导体。 P型半导体的共 价键结构中空穴多于电子，且这 些空穴很容易让附近的价电子跳 过来填补，因此价电子填补空穴 的空穴运动是主要形式，所以多 子是空穴，少子是电子。 杂质半导体中的多数载流杂质半导体中的多数载流 子和少数载流子是怎样产子和少数载流子是怎样产 生的？为什么生的？为什么P型半导体型半导体 中的空穴多于电子？中的空穴多于电子？ N型半导体中具有多数载流子电子，同时型半导体中具有多数载流子电子，同时 还有与电子数量相同的正离子及由本征激还有与电子数量相同的正离子及由本征激

18、发的电子发的电子空穴对，因此整块半导体中正空穴对，因此整块半导体中正 负电荷数量相等，呈电中性而不带电。负电荷数量相等，呈电中性而不带电。 N型半导体中的多数载型半导体中的多数载 流子是电子，能否认为流子是电子，能否认为 这种半导体就是带负电这种半导体就是带负电 的？为什么？的？为什么？ 空间电荷区的电阻空间电荷区的电阻 率为什么很高？率为什么很高？ 何谓何谓PN结的单向导结的单向导 电性？电性？ 第第3页页 2. 半导体在热（或光照等半导体在热（或光照等 ）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为 本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会本

19、征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会 “跳进跳进 ”另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电 子空穴对被子空穴对被“吃掉吃掉”。 。 1. 半导体中的少子虽然浓度很低半导体中的少子虽然浓度很低 ，但少子对温度非，但少子对温度非 常敏感，即常敏感，即。而多子。而多子 因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温 度影响。度影响。 4. PN结的单向导电性是指：结的单向导电性是指： 3. 空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子

20、（电空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电 流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就 是说，是说，。 第第3页页 一个一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了 半导体二极管，简称二极管，接在半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧的引出线称为阳型半导体一侧的引出线称为阳 极；接在极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。型半导体一侧的引出线称为阴极。 半导体二极管按其结构不同可分为半导体二极管按其结构不同可分为和和两类。两类

21、。 点接触型二极管点接触型二极管 。主要应用于小电流的整。主要应用于小电流的整 流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。 面接触型二极管面接触型二极管PN结面积大，因而能通过较大的电流，但其结结面积大，因而能通过较大的电流，但其结 电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。 第第3页页 阳极 阴极 -60 -40 -20 0.4 0.8 U /V 40 30 20 10 I /mA 0 正向特性 反向特性 死区 电压 二极管外加正向电压较小时，外二极管外加正向电压较小时，外 电场不足以克服

22、内电场对多子扩散电场不足以克服内电场对多子扩散 的阻力，的阻力，PN结仍处于截止状态结仍处于截止状态 。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。 正向电压大于死区电压后，正正向电压大于死区电压后，正 向电流向电流 随着正向电压增大迅速上随着正向电压增大迅速上 升。通常死区电压硅管约为升。通常死区电压硅管约为0.5V ，锗管约为，锗管约为0.2V。 外加反向电压时，外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流很小；结处于截止状态，反向电流很小； 导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.6 0.8V，锗管约

23、为，锗管约为0.20.3V。温度上升，死区电。温度上升，死区电 压和正向压降均相应降低。压和正向压降均相应降低。 第第3页页 普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造 成成“热击穿热击穿”，这两种击，这两种击 穿不会从根本上损坏二极管，而穿不会从根本上损坏二极管，而 。 1）最大整流电流）最大整流电流IF：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 2）最高反向工作电压）最高反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最高反向电压。：二极管运行时允许承受的最高反向电压。 3）反向电流）反向

24、电流IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电 性越好。性越好。 二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检 波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。 D Tr u1 RLu2 UL 二极管半波整流电二极管半波整流电 路路 u u D A U F 二极管钳位电路二极管钳位电路 R uOui D1D2 二极管限幅电路二极管限幅电路 第第3页页 反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧

25、反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧 增，这种现象称为二极管的增，这种现象称为二极管的。 反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击 穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。 PN结反向电压增加时，空间电荷区内电场增强。通过空间结反向电压增加时，空间电荷区内电场增强。通过空间 电荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与电荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与 晶体中其它晶体中其它 原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激

26、发又出现电原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电 子子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对与原有的电子空穴对与原有的电子 和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，再通过和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，再通过 碰撞其它原子，又产生电子碰撞其它原子，又产生电子空穴对，从而空穴对，从而。当反向。当反向 电压增大到某一数值，电压增大到某一数值，载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩 一样，突然使反向电流急剧增大，发生二极管的一样，突

27、然使反向电流急剧增大，发生二极管的。 在加有较高的反向电压下，在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存一个强电结空间电荷区中存一个强电 场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子空穴对，形成较大的空穴对，形成较大的 反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为210V/cm，这只有在杂质浓，这只有在杂质浓 度特别大的度特别大的PN结中才能达到，因为结中才能达到，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也 大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高，致使大，因而空间电荷区很窄，电

28、场强度可能很高，致使PN结产生结产生。 第第3页页 跳转到第一页 第第3页页 跳转到第一页 第第3页页 例 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏 安特性如图所示：安特性如图所示： 当反向电压加到某一数值时，反当反向电压加到某一数值时，反 向电流剧增，管子进入反向击穿区。向电流剧增，管子进入反向击穿区。 图中图中UZ稳压管的稳定电压值稳压管的稳定电压值。 稳压管实物图稳压管实物图 由图可见，稳压管特性和普通二由图可见，稳压管特性和普通二 极管类似，但其极管类似，但其反向击穿是可逆的，反向击穿是可逆的， 不会发生不会发

29、生“热击穿热击穿”，而且其反向击，而且其反向击 穿后的特性曲线比较陡直，即穿后的特性曲线比较陡直，即反向电反向电 压基本不随反向电流变化而变化压基本不随反向电流变化而变化，这这 就是稳压二极管的稳压特性就是稳压二极管的稳压特性。 阳极 阴极 稳压管图符号稳压管图符号 电流增量电流增量I 很大，只会引起很小的电压变化很大，只会引起很小的电压变化U。 曲线愈陡，动态电阻曲线愈陡，动态电阻rz=U/I愈小，稳压管的稳压性能愈好愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，。一般地说，UZ 为为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时，左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时，rz随齐纳电压的下降随齐

30、纳电压的下降 迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。 稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压UZ，低的为，低的为3V，高的可达，高的可达300V，稳压二极管在工作时，稳压二极管在工作时 的正向压降约为的正向压降约为0.6V。 I/mA 40 30 20 10 -5 -10 -15 -20 （A） 正向 0 0.4 0.8 12 8 4 反向 UZ IZ U/V 第第3页页 跳转到第一页 第第3页页 稳压管稳压电路中一般都要加限稳压管稳压电路中一般都要加限 流电阻流电阻R，使稳压管电流工作在，使稳压管电流工作在Izmax 和和Izmix的范围内。稳压管在应用中要的

31、范围内。稳压管在应用中要 采取适当的措施限制通过管子的电流采取适当的措施限制通过管子的电流 值，以保证管子不会造成值，以保证管子不会造成热击穿热击穿。 稳压管的主要参数：稳压管的主要参数： （1）稳定电压）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。：反向击穿后稳定工作的电压。 （2）稳定电流）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。：工作电压等于稳定电压时的电流。 （3）动态电阻）动态电阻rZ：稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的：稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的 变化量之比。即：变化量之比。即： rZ=UZ/IZ （4）耗散功率）耗散功率PZM和最大稳定电流和最

32、大稳定电流IZM。额定耗散功率。额定耗散功率PZM是在稳压管允许是在稳压管允许 结温下的最大功率损耗。结温下的最大功率损耗。IZM是指稳压管允许通过的最大电流。二者关系是指稳压管允许通过的最大电流。二者关系 可写为：可写为： PZM=UZIZM 回顾二极管的反向击穿时特性：回顾二极管的反向击穿时特性：当反当反 向电压超过击穿电压时，流过管子的电流向电压超过击穿电压时，流过管子的电流 会急剧增加。会急剧增加。 击穿并不意味着管子一定要损坏，如击穿并不意味着管子一定要损坏，如 果我们采取适当的措施限制通过管子的电果我们采取适当的措施限制通过管子的电 流，就能保证管子不因过热而烧坏。流，就能保证管子

33、不因过热而烧坏。 在反向击穿状态下，在反向击穿状态下，让流过管子的电让流过管子的电 流在一定的范围内变化，这时管子两端电流在一定的范围内变化，这时管子两端电 压变化很小压变化很小，利用这一点可以达到，利用这一点可以达到“稳压稳压” 的效果。的效果。 稳压管是怎稳压管是怎 么实现稳压么实现稳压 作用的？作用的？ 第第3页页 跳转到第一页 第第3页页 单个发光二极管实物单个发光二极管实物 发光二极管是一种能把电能直接转发光二极管是一种能把电能直接转 换成光能的固体发光元件。发光二极管换成光能的固体发光元件。发光二极管 和普通二极管一样，管芯由和普通二极管一样，管芯由PN结构成，结构成， 具有单向导

34、电性。左图所示为发光二极具有单向导电性。左图所示为发光二极 管的实物图和图符号。管的实物图和图符号。 发光二极管是一种功率控发光二极管是一种功率控 制器件，常用来作为数字电制器件，常用来作为数字电 路的数码及图形显示的七段路的数码及图形显示的七段 式或阵列式器件；单个发光式或阵列式器件；单个发光 二极管常作为电子设备通断二极管常作为电子设备通断 指示灯或快速光源以及光电指示灯或快速光源以及光电 耦合器中的发光元件等。耦合器中的发光元件等。 第第3页页 光电二极管也和普通二极管一样，管芯由光电二极管也和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单结构成，具有单 向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射

35、入光线的向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“窗口窗口”，这，这 个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上 。 第第3页页 变容二极管的变容二极管的PN结反向偏置时的结电容随反向电压变化而有较大的变化。结反向偏置时的结电容随反向电压变化而有较大的变化。 在电子技术中，变容二极管常作为调谐电容使用。改变其反向电压大小以在电子技术中，变容二极管常作为调谐电容使用。改变其反向电压大小以 使结电容随之变化，进而调节使结电容随之变化，进而调节LC振荡回路的振荡频率。振荡回路的振荡频率。 第第3页页 跳转到第一页 电源变

36、压器电源变压器整流电路整流电路滤波电路滤波电路 稳压电路稳压电路 直流稳压电源的组成框图直流稳压电源的组成框图 跳转到第一页 6.2.6.1 整流电路整流电路 一、单相半波整流电路一、单相半波整流电路 下下图是单相半波整流电路，该电路由电源变压器图是单相半波整流电路，该电路由电源变压器T、整流、整流 二极管二极管VD及负载电阻及负载电阻RL组成。组成。 单相半波整流电路单相半波整流电路 跳转到第一页 在在u2的负半周，二极的负半周，二极 管因承受反向电压而截管因承受反向电压而截 止，止， uo=0 。 图图6-16 单相半波整流波形单相半波整流波形 1整流原理整流原理 u2的正半周，二极的正半

37、周，二极 管因承受正向电压而导管因承受正向电压而导 通，忽略二极管正向压通，忽略二极管正向压 降，降， uo=u2。 设设u2= U2sint 2 跳转到第一页 2负载电压及电流负载电压及电流 直流脉动电压直流脉动电压：整流电压方向不变，但大小变化。：整流电压方向不变，但大小变化。 平均电压平均电压Uo：一个周期的平均值：一个周期的平均值Uo表示直流电压的大小。表示直流电压的大小。 电阻性负载的平均电流为电阻性负载的平均电流为Io，即，即 22 0 2o 45. 0 2 dsin2 2 1 UUttUU o2 o LL 0.45D UU II RR 跳转到第一页 3选用二极管的原则选用二极管的

38、原则 为了安全地使用二极管，选用二极管必须满足以下原则：为了安全地使用二极管，选用二极管必须满足以下原则： IF ID URMUDM 式中，式中，IF为最大整流电流（为最大整流电流（A)，URM为最高反向工作电压为最高反向工作电压(V)。 在交流电压的负半周，二极管截止，在交流电压的负半周，二极管截止，u2电压全部加在二电压全部加在二 极管上，二极管所承受的最高反向电压极管上，二极管所承受的最高反向电压UDM为为u2的峰值，即的峰值，即 UDM= U2 。 二极管导通时的电流为负载电流，所以二极管二极管导通时的电流为负载电流，所以二极管 平均电流平均电流ID=Io。 2 跳转到第一页 有一单相

39、半波整流电路，如下图所示。已知负载有一单相半波整流电路，如下图所示。已知负载 电阻电阻RL=750，变压器二次电压，变压器二次电压U2=20V，试求，试求Uo、Io及及UDM 。 Uo=0.45U2=0.4520V=9V 750 9 L o o R U I=0.012A=12mA UDM= U2 = 20V=28.2V 22 ID=Io =12mA 例例 解解 单相半波整流电路单相半波整流电路 跳转到第一页 二、单相桥式整流电路二、单相桥式整流电路 单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成。单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成。 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 常用画法常

40、用画法简化画法简化画法 跳转到第一页 1整流原理整流原理 u2 正半周，正半周， u2的实际极性为的实际极性为 a 正正b 负，二极管负，二极管 VD1 和和 VD3 导通，导通，VD2 、VD4截止，截止，uo=u2，如图，如图6-17所示。波形如所示。波形如 图图中的中的0段。段。 单相桥式整流原理单相桥式整流原理 跳转到第一页 单相桥式整流原理单相桥式整流原理 u2的负半周，的负半周，u2实际极性为实际极性为 a 负负b 正，二极管正，二极管VD2 、 VD4导通，导通，VD1 、VD3截止，截止，uo= - u2。如图。如图6-17所示。波形所示。波形 如图中的如图中的2段。段。 跳转

41、到第一页 图图6-17 单相桥式整流波形单相桥式整流波形 跳转到第一页 2负载电压和电流负载电压和电流 全波整流电路的整流电压的平均值全波整流电路的整流电压的平均值Uo比半波整流增加一比半波整流增加一 倍，即倍，即 L 2 R U Io=0.9 Uo=20.45U2=0.9U2 跳转到第一页 3选用二极管的原则选用二极管的原则 二极管截止时所承受的反向电压可以看出。若二极管截止时所承受的反向电压可以看出。若VD1 、VD3 两只二极管导通时，就将两只二极管导通时，就将u2加到了二极管加到了二极管VD2、VD4的两端，的两端， 使这两只二极管因承受反向电压而截止，即二极管承受的最高使这两只二极管

42、因承受反向电压而截止，即二极管承受的最高 反向电压反向电压 UDM= U2 2 IF ID URMUDM 每只二极管只在半个周期内导通，所以在一个周期内流每只二极管只在半个周期内导通，所以在一个周期内流 过每个管子的平均电流只有负载电流的一半，即过每个管子的平均电流只有负载电流的一半，即 ID=Io/2。 二极管的选择原则：二极管的选择原则： 跳转到第一页 已知负载电阻已知负载电阻RL=80，要求负载电压，要求负载电压Uo=110V。现。现 采用单相桥式整流电路，试求变压器二次侧电压有效值采用单相桥式整流电路，试求变压器二次侧电压有效值U2。 U2 = V=122V 9 . 0 110 9 .

43、 0 o U 负载电流平均值负载电流平均值 U2=U2= Io= A=1.4A 80 110 L o R U 每个二极管通过的平均电流每个二极管通过的平均电流 ID= Io=0.7A 2 1 UDM= U2= 122V=172.5V22 例例 解解 跳转到第一页 一、电容滤波器一、电容滤波器 图中与负载并联的电容就是一个最简单的滤波器。图中与负载并联的电容就是一个最简单的滤波器。 单相半波整流电容滤波单相半波整流电容滤波 6.2.6.2 滤波电路滤波电路 跳转到第一页 单相桥式整流电容滤波单相桥式整流电容滤波 跳转到第一页 1电容滤波原理电容滤波原理 电容滤波输出波形电容滤波输出波形 图中的虚

44、线和实线分别表示整流电路不接滤波电容和接图中的虚线和实线分别表示整流电路不接滤波电容和接 滤波电容的波形。滤波电容的波形。 跳转到第一页 当当u2由零逐渐增大时，二极管由零逐渐增大时，二极管VD导通，一方面供电给负导通，一方面供电给负 载，同时对电容载，同时对电容C充电，电容电压充电，电容电压uC 的极性为上正下负，如的极性为上正下负，如 果忽略二极管的压降，则在果忽略二极管的压降，则在VD导通时，导通时， uC（= uo）与）与 u2 同同 步上升，并达到步上升，并达到u2的最大值。的最大值。 u2到最大值后开始下降，当到最大值后开始下降，当u2uC时，时，VD反向截止，电反向截止，电 源不

45、再向负载供电，而是电容对负载放电。电容放电使源不再向负载供电，而是电容对负载放电。电容放电使uC以以 一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个正半波一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个正半波u2uC 时，时，VD又导通，电容再次被充电又导通，电容再次被充电。充电放电的过程周而复。充电放电的过程周而复 始，使得输出电压波形如图的实线所示。始，使得输出电压波形如图的实线所示。 跳转到第一页 桥式整流电容滤波的原理与此相同，只不过在桥式整流电容滤波的原理与此相同，只不过在 一个周期内一个周期内电容充电、放电两次电容充电、放电两次。由于电容向负载。由于电容向负载 放电的时间缩短了，因此输出电压波形

46、比半波整流放电的时间缩短了，因此输出电压波形比半波整流 电容滤波更加平滑，波形如图所示。电容滤波更加平滑，波形如图所示。 跳转到第一页 2电容滤波特点电容滤波特点 1）输出电压的直流平均值提高了。）输出电压的直流平均值提高了。 2）只适用于负载电流较小且负载不常变化的场合。）只适用于负载电流较小且负载不常变化的场合。 Uo=U2（半波）（半波） Uo=1.2U2（全波）（全波） 如果电容和电阻都比较大，如果电容和电阻都比较大，Uo U2。确定电容值的经验。确定电容值的经验 公式为公式为 2 3）电容滤波电路的输出电压随输出电流而变化，经验公式）电容滤波电路的输出电压随输出电流而变化，经验公式

47、C （35）T/RL （半波）（半波） C （35）T/2RL （全波）（全波） 式中，式中，T 是电源交流电压的周期。是电源交流电压的周期。 跳转到第一页 4）(放电时间常数放电时间常数)越大，二极管的导通角越小，因此整流管越大，二极管的导通角越小，因此整流管 在短暂的时间内流过较大的冲击电流，常称为浪涌电流，对管在短暂的时间内流过较大的冲击电流，常称为浪涌电流，对管 子的寿命不利，所以必须选择容量较大的整流二极管。子的寿命不利，所以必须选择容量较大的整流二极管。 由半波整流电容滤波电路图由半波整流电容滤波电路图6-16可知，可知，uD= u2uC，在，在u2负负 半周的极值点处半周的极值点

48、处，二极管承受的最高反向电压值二极管承受的最高反向电压值UDM2 U2 。 2 由桥式整流电容滤波电路图由桥式整流电容滤波电路图6-17可知，二极管承受的最高反可知，二极管承受的最高反 向电压向电压UDM= U2。 2 跳转到第一页 有一单相桥式整流电容滤波电路如图有一单相桥式整流电容滤波电路如图6-17所示，交所示，交 流电源频率流电源频率f=50HZ，负载电阻，负载电阻RL=200，要求直流输出电压，要求直流输出电压 Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容。，选择整流二极管及滤波电容。 （1）选择整流二极管）选择整流二极管 mA75A075. 0A 200 30 2 1 2 1 2 1 L

49、 o oD R U II 由经验公式：由经验公式：Uo=1.2U2 V25V 2 . 1 30 2 . 1 o 2 U U V35V2522 2DM UU 选用二极管选用二极管2CP11，最大整流电流为，最大整流电流为100mA，反向工作峰值，反向工作峰值 电压为电压为50V。 例例8-3 解解 跳转到第一页 （2）选择滤波电容器）选择滤波电容器 由经验公式，取由经验公式，取C =5T/2RL，所以，所以 250F10250F 2002 02. 05 2 5 6 L R T C F 查系列选用查系列选用C=270F，耐压为，耐压为50V的极性电容。的极性电容。 跳转到第一页 二、二、 电感滤波

50、器电感滤波器 由于电容滤波带负载能力较差。对于负载电流较大且负载由于电容滤波带负载能力较差。对于负载电流较大且负载 经常变化的场合，采用电感滤波，在负载前串联电感线圈，如经常变化的场合，采用电感滤波，在负载前串联电感线圈，如 图所示。图所示。 电感滤波电路电感滤波电路 跳转到第一页 1. 滤波原理滤波原理 当负载电流增加时，电感将产生与电流方向相反的自感电当负载电流增加时，电感将产生与电流方向相反的自感电 动势，阻止电流的增加。动势，阻止电流的增加。 当负载电流减小时，电感产生与电流方向相同的自感电动当负载电流减小时，电感产生与电流方向相同的自感电动 势，阻止电流减小。势，阻止电流减小。 负载

51、电流的脉动成分减小，在负载电阻负载电流的脉动成分减小，在负载电阻RL上就能获得一个上就能获得一个 比较平滑的直流输出电压比较平滑的直流输出电压uo，波形如下页实线所示。，波形如下页实线所示。 显然，电感显然，电感L值越大，滤波效果越好。值越大，滤波效果越好。 跳转到第一页 电感滤波波形电感滤波波形 跳转到第一页 2输出电压输出电压 若忽略电感线圈的电阻，则电感线圈上无直流电压降，无论若忽略电感线圈的电阻，则电感线圈上无直流电压降，无论 负载电阻怎样变动负载电阻怎样变动,整流输出的直流分量几乎全部落在整流输出的直流分量几乎全部落在RL上，上， 因此电感滤波输出电压平均值较稳定，其值为因此电感滤波

52、输出电压平均值较稳定，其值为 Uo 0.9U2 3电感滤波器的特点电感滤波器的特点 电感滤波适用于电流较大且负载经常变化的场合，但由于电电感滤波适用于电流较大且负载经常变化的场合，但由于电 感体积大、成本高，因此，滤波电感常取几毫亨到几十毫亨感体积大、成本高，因此，滤波电感常取几毫亨到几十毫亨 ，并且在小功率的电子设备中很少采用电感滤波。，并且在小功率的电子设备中很少采用电感滤波。 跳转到第一页 三、复式滤波器三、复式滤波器 电容滤波和电感滤波各有千秋，且优缺点互补。在一些电容滤波和电感滤波各有千秋，且优缺点互补。在一些 直流用电设备中，既要求电源电压脉动小，又要求电源能适直流用电设备中，既要

53、求电源电压脉动小，又要求电源能适 应负载变化，为此，常采用由电容和电感以及电阻组成的复应负载变化，为此，常采用由电容和电感以及电阻组成的复 式滤波器，复式滤波进一步提高了滤波效果同时又不降低带式滤波器，复式滤波进一步提高了滤波效果同时又不降低带 负载能力。负载能力。 跳转到第一页 a)图图6-21 LC型滤波器型滤波器 跳转到第一页 b)图图6-22 LC-型滤波器型滤波器 跳转到第一页 c）RC-型滤波器型滤波器 跳转到第一页 6.2.6.3 稳压电路稳压电路 一、稳压管并联型稳压电路一、稳压管并联型稳压电路 图图6-23 稳压管并联型稳压电路稳压管并联型稳压电路 不变不变 Ui不变不变 R

54、L不变不变 IZ的减小补偿的减小补偿Io的增大，使的增大，使IR基本基本 保持不变，输出电压保持不变，输出电压Uo近似稳定近似稳定 不变，电阻不变，电阻R起调节电压的作用。起调节电压的作用。 UR 的增大抵消的增大抵消Ui 的增大，的增大， 使输出电压基本保持不变。使输出电压基本保持不变。 1. 稳压原理稳压原理 跳转到第一页 2. 稳压管的选择稳压管的选择 一般取一般取 UZ=Uo IZM=（1.53）IoM Ui=（23）Uo 跳转到第一页 某稳压电路如图某稳压电路如图6-23所示。负载电阻所示。负载电阻RL由开路变到由开路变到 3k，整流滤波后的输出电压，整流滤波后的输出电压Ui=45V

55、。今要求输出直流电压。今要求输出直流电压 Uo=15V，试选择稳压管，试选择稳压管VS。 由输出电压由输出电压Uo=15V，负载电流最大值，负载电流最大值 查选择稳压管查选择稳压管2CW20，其稳压值，其稳压值UZ=13.517V，稳定电流，稳定电流 IZ=5mA，最大稳定电流，最大稳定电流IZM=15mA。 mA5A105A 103 15 3 3 L o oM R U I V15 oZ UU 例例 解解 跳转到第一页 二、恒压源二、恒压源 由稳压管稳压电路和运算放大器组成的恒压源的输出电压由稳压管稳压电路和运算放大器组成的恒压源的输出电压 不仅可调而且因引入了电压负反馈而稳定。不仅可调而且因

56、引入了电压负反馈而稳定。 Z 1 f o U R R U 反相输入恒压源反相输入恒压源 跳转到第一页 Z 1 f o )1(U R R U 同相输入恒压源同相输入恒压源 跳转到第一页 串联型稳压电路串联型稳压电路 IC 三、串联型稳压电路三、串联型稳压电路 恒压源电路输出电压稳定可调，但运放的输出电流较小，恒压源电路输出电压稳定可调，但运放的输出电流较小， 改进电路如图。改进电路如图。 基准电压基准电压 取样电压取样电压 控制电压控制电压 被控制电压被控制电压 跳转到第一页 电路的组成及各部分的作用电路的组成及各部分的作用 1）R3和和VS构成基准电压电路，基准电压为构成基准电压电路，基准电压为UZ。 2）R1和和R2构成取样电路，当输出电压变化时，取样电路将构成取样电路，当输出电压变化时，取样电路将Uo 变化量按比例送到放大器。变化量按比例送到放大器。 3）由运算放大器构成比较放大器。）由运算放大器构成比较放大器。 4）晶体管）晶体管V为调整管，放大器的输出为基极的为调整管，放大器的输出为基极的控制控制电压，通电压，通 过基极电压来控制过基极电压来控制UCE，达到调整输出电压，达到调整输出电压Uo的目的。的目的。 稳压过程：稳压过程： UoUfUBICUCE Uo o 21 21 f U RR RR UU 由分压