半导体二极管与直流稳压电源06

1、 电子技术 模拟电子技术：信号连续变化 数字电子技术：信号 不连续变化、离散武汉工程大学武汉工程大学 电工教研室电工教研室 第第6 6章章 半导体二极管与直流稳压电源半导体二极管与直流稳压电源返回返回目目 录录6.1 6.1 半导体基础知识半导体基础知识半导体：半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性 本征半导体就是完全纯净的半导体。本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半应用最多的本征半导体为锗和硅，它们导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都各有四个价电子，

2、都是四价元素是四价元素.硅的原子结构硅的原子结构 纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来 本征半导体晶体结构中的共价健结构本征半导体晶体结构中的共价健结构6.1.16.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体 共价键中的电子共价键中的电子在获得一定能量在获得一定能量后，即可挣脱原后，即可挣脱原子核的束缚，成子核的束缚，成为自由电子为自由电子同时在共价键中同时在共价键中留下一个空穴。留下一个空穴。空穴空穴SiSiSiSi自由自由电子电子热激发与复合现象热激发与复合现象 由

3、于受热或光照由于受热或光照产生自由电子和产生自由电子和空穴的现象空穴的现象- 热激发热激发6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子在运动中遇在运动中遇到空穴后，到空穴后，两者同时消两者同时消失，称为复失，称为复合现象合现象 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由征半导体中的自由电子电子空穴对的数空穴对的数目基本不变。温度目基本不变。温度愈高，自由电子愈高，自由电子空穴对数目越多空穴对数目越多。SiSiSiSi自由电子空穴半导体导电方式半导体导电方式 在半导体中，在半导体中，同时存在着电子同时存在着电子导电和空穴导电，导电和空穴导电，这是半导体导电这是半导体导电方式的

4、最大特点，方式的最大特点，也是半导体和金也是半导体和金属在导电原理上属在导电原理上的本质差别。的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈因为，温度愈高，载流子数目愈高，载流子数目愈多，导电性能也就多，导电性能也就愈好，所以，温度愈好，所以，温度对半导体器件性能对半导体器件性能的影响很大。的影响很大。6.1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi自由电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，自加上外电压时，自由电子作定向运动由电子作定向运动形成电子电流；而形成电子电流；而空穴的运动相当于空穴的运动相当于正电荷的运动正电荷的运动6.1.2 6.1.2 杂

5、质半导体杂质半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或掺入微量的磷（或其它五价元素）。其它五价元素）。 自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是载流子，空穴是少数载流子。少数载流子。 电子型半导体电子型半导体或或N N型半导体型半导体SiSiP+Si多余电子6.1.2 6.1.2 杂质半导体杂质半导体P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入硼（或其它掺入硼（或其它三价元素）。三价元素）。 空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，自由电子是少数载自由电子是少数载流子。流子。 空穴型半导体空穴型半导体或或P P型半导体。型半导体。SiSiB-Si空穴6.

6、1.2 6.1.2 杂质半导体杂质半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的。的。 6.1.2 PN6.1.2 PN结结1. PN1. PN结的形成结的形成自由电子PN空穴PN结是由扩散运动形成的结是由扩散运动形成的,扩散运动和漂移运动达到动态平衡。扩散运动和漂移运动达到动态平衡。自由电子PN 空间电荷区内电场方向空穴2. PN结的单向导电性结的单向导电性1 外加正向电压使PN结导通PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流基

7、本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄PN内电场 方向外电场方向RI2. PN结的单向导电性2 外加反向电压使PN结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流特点特点: : 受温度影响大受温度影响大原因原因: : 反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的+ - 变 宽PN内电场 方向外电场方向RI=02. PN结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，处在导通状态，结

8、电阻很低，正向电流较大。正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。反向电流很小。6.2 6.2 半导体二极管半导体二极管6.3.1 基本结构基本结构6.2.2 伏安特性伏安特性6.2.3 伏安特性的折线化伏安特性的折线化6.2.4 二极管的主要参数二极管的主要参数6.2.1 基本结构PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号阳极 阴极6.2.2 6.2.2 伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25

9、I/A-20-40反向死区电压击穿电压 半导体二极半导体二极管的伏安特性管的伏安特性是非线性的。是非线性的。正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 死区电压：死区电压： 硅管：硅管：0.5伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.1伏左右。伏左右。 正向压降：正向压降： 硅管：硅管：0.7伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。伏。6.2.2 6.2.2 伏安特性伏安特性1 正向特性正向特性反向电流：反向电流：反向饱和电流：反向饱和电流：反向击穿电压反向击穿电压U（BR）6.2.2 6.2.2 伏安特性伏安特性正向O 0.4

10、0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压2 反向特性反向特性6.2.4 6.2.4 主要参数主要参数1 最大整流电流最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3 反向峰值电流反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。6.3 6.3 二极管应用电路二极管应用电路 主要利用二极管的单向

11、导电性。可用主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。数字电路中作为开关元件。6.3 6.3 二极管应用电路二极管应用电路1、 二极管限幅与嵌位电路。二极管限幅与嵌位电路。已知输入波形画出输出波形。已知输入波形画出输出波形。D1D2E2RE1uoABui在ui的正半周，当uiE1时，D1处于正向偏置而导通，使输出电压uo保持在等于E1值。在ui的负半周，当-E2uiE1时，D1、D2都处于反向偏置而截止，uo=ui。当ui E时，二极管导通，uo= E=5V; 当ui =E时，二极管截止，uo =ui=10sin

12、t; 对（b）图，当ui=E时，二极管截止，uo =ui=10sint; 2、 二极管门电路。二极管门电路。图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻电阻R接负电源接负电源-12V。解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通导通后，后， DB上加的是反向电上加的是反向电压，因而截止。压，因而截止。-12VAB+3V0VDBDAYRVY=+2.7VDA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。 首先假设这些二极管都处于截止状态，然后依次判断各个二极管的阳极和阴极之间的电压，哪个二极管阳极和阴极的电压

13、高，哪个二极管就优先导通；之后根据该二极管导通之后的状态来判断其他二极管是导通还是截止状态。思考题思考题例1：试判断下图所示电路中，当Ui3V时哪些二极管导通？当 Ui0V时哪些二极管导通？设二极管正向压降为0.7V。 解：当Ui3V时，UB=0.7V,UA=2.1V所以D1截止，D2-D4导通。当Ui0V时，D1导通，D2-D4截止。D1D2D3D4R15VR2ABUi例2：试判断下图所示电路中，D1和D2的状态。设二极管正向压降为0.7V。解：解：U UD1oD1o=15V U=15V UONON D D1 1导通导通 U UD20D20=-12-=-12-（-15-15）=3V U=3V

14、 UON ON D D2 2导通导通U UD10D10 U UD20D20 D D1 1优先导通优先导通 U UD20D20=-12-U=-12-UA A=-12-(-0.7=-12-(-0.7）=-11.3V U=-11.3V UONON D D2 2截止截止故故 D D1 1导通导通D D2 2截止截止 t u2 0 2 3 4 t 0 2 3 4 uo + u2 + u1 D (a) 电路 (b) 波形 + uo RL tu20234t0234uo+u2+u1D(a) 电路 (b) 波形+uoRL当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，

15、即io= id。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u2 ，输出电压uo的波形与u2相同。当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压u2全部加在二极管D上。tu20234t0234uo+u2+u1D(a) 电路 (b) 波形+uoRL单相半波整流电压的平均值为：0222o45. 02)(sin221UUttdUU流过负载电阻 RL的电流平均值为：L2Loo45. 0RURUI流经二极管的电流平均值与负载电流平均值相等，即：L2oD45. 0RUII二极管截止时承受的最高反向电压为 u2的最大值，即：22M

16、RM2UUU+u1+u2D4D3D1D2RL+uo(a) 原理电路ab+u1+u2RL+uo(b) 简化画法u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：aD1RLD3b，如图中实线箭头所示。+u1+u2D4D3D1D2RL+uoabu2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：bD2RLD4a，如图中虚线箭头所示。tu20234tiD10234tiD20234tuo0234单相全波整流电压的平均值为：0222o9 . 022)(sin21UU

17、ttdUU流过负载电阻 RL的电流平均值为：L2Loo9 . 0RURUI流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：L2oD45. 021RUII每个二极管在截止时承受的最高反向电压为 u2的最大值，即：22MRM2UUU 例：例：试设计一台输出电压为 24V，输出电流为 lA 的直流电源，电路形式可采用半波整流或全波整流，试确定两种电路形式的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。解：解：（1）当采用半波整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：3 .5345. 0240.45o2UUV整流二极管承受的最高反向电压为：2 .753 .5341. 122RMUUV流过整流二极管

18、的平均电流为：1oD IIA因此可选用 2CZ12B整流二极管，其最大整流电流为 3 A，最高反向工作电压为 200V。（2）当采用桥式整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：7 .269 . 0240.9o2UUV整流二极管承受的最高反向电压为：6 .377 .2641. 122RMUUV流过整流二极管的平均电流为：5 . 021oDIIA因此可选用四只 2CZ11A 整流二极管，其最大整流电流为 1 A，最高反向工作电压为 100V。6.4 6.4 稳压管稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用

19、。与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 1 1 稳压管表示符号稳压管表示符号： 正向+-反向+-IZUZ2 2 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：3 稳压管稳压原理：稳压管稳压原理： 稳压管工作于反向稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿 是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 6.4 6.4 稳压管稳压管4

20、 主要参数主要参数（2）电压温度系数）电压温度系数 U（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数说明稳压管受温度变化影响的系数6.4 6.4 稳压管稳压管（3）动态电阻）动态电阻（4 4）稳定电流）稳定电流（5 5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率 rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM6.4 6.4 稳压管稳压管+_UU0UZR稳压管的稳压作用稳压管的稳压

21、作用当当UUZ大于时大于时,稳压管击穿稳压管击穿RUUIZZ此时此时选选R，使，使IZUON二极管是导通二极管是导通UDUAO=-6V 练练 习习6VA12VOV1V2二、判断二极管是导通或截止二、判断二极管是导通或截止二极管的二极管的正向电压正向电压UD是否大于导通电压是否大于导通电压UONUD2UD1-12V0V = -12V UONUD1=-12V-6V= -6VUONUD2=二极管二极管D1截止截止二极管二极管D2截止截止1810V215V14010255三、三、 试判断图题试判断图题中二极管导通还中二极管导通还是截止，为什么是截止，为什么? A)(1151401010VUA BC)(

22、5 .2155255VUC )(1101822VUBC BCCBUUU )(5 . 315 . 2V 二极管的二极管的正向电压正向电压UD是否大于导通电压是否大于导通电压UON设设UON =0.3(V) 二极管截止二极管截止四、选择判断题四、选择判断题1 1、判断下列说法是否正确，用、判断下列说法是否正确，用“”和和“”表示表示判断结果填入空内。判断结果填入空内。（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负 电。（ ）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。 （ ）（4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多

23、子漂移运动形成的。（ ） 2 2、选择正确答案填入空内。选择正确答案填入空内。 （1）PN结加正向电压时，空间电荷区将结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄变窄 B. 基本不变基本不变 C. 变宽变宽（2）稳压管的稳压区是其工作在稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通正向导通 B.反向截止反向截止 C.反向击穿反向击穿（3）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏前者正偏、后者也正偏AB C （4）工

24、作在放大区的某三极管，如果当）工作在放大区的某三极管，如果当IB从从12A增大增大到到22A时，时，IC从从1mA变为变为2mA，那么它的，那么它的约约为为 。 A. 83 B. 91 C. 100C （5）普）普 通通 双双 极极 型型 晶晶 体体 管管 是是 由由 。 (A)一一 个个PN 结结 组组 成成 (B)二二 个个PN 结结 组组 成成 (C) 三三 个个PN 结结 组组 成成（6）测测 得得 电电 路路 中中 工工 作作 在在 放放 大大 区区 的的 某某 晶晶 体体 管管 三三 个个 极极 的的 电电 位位 分分 别别 为为 0V、 0.7V 和和 4.7V， 则则 该该 管

25、管 为为 。(A) NPN 型型 锗锗 管管 (B) PNP 型型 锗锗 管管 (C) NPN 型型 硅硅 管管 (D) PNP 型型 硅硅 管管（7）已已 知知 放放 大大 电电 路路 中中 某某 晶晶 体体 管管 三三 个个 极极 的的 电电 位位 分分 别别 为为VE = 1.7V，VB= 1.4V ，VC = 5V， 则则 该该 管管 类类 型型 为为 。 (A) NPN 型型 锗锗 管管 (B) PNP 型型 锗锗 管管 (C) NPN 型型 硅硅 管管 (D) PNP 型型 硅硅 管管B A D （8）晶）晶 体体 管管 的的 主主 要要 特特 点点 是是 具具 有有 。 (A)

26、单单 向向 导导 电电 性性 (B) 电电 流流 放放 大大 作作 用用 (C) 稳稳 压压 作作 用用（9）晶晶 体体 管管 处处 于于 截截 止止 状状 态态 时，时， 集集 电电 结结 和和 发发 射射 结结 的的 偏偏 置置 情情 况况 为为 。(A) 发发 射射 结结 反反 偏，集偏，集 电电 结结 正正 偏偏(B) 发发 射射 结、集结、集 电电 结结 均均 反反 偏偏 (C)发发 射射 结、集结、集 电电 结结 均均 正正 偏偏 (D)发发 射射 结结 正正 偏，集偏，集 电电 结结 反反 偏偏（10）已已 知知 某某 晶晶 体体 管管 处处 于于 放放 大大 状状 态，态， 测

27、测 得得 其其 三三 个个 极极 的的 电电 位位 分分 别别 为为 6V、9V 和和 6.3V， 则则 6V所所 对对 应应 的的 电电 极极 为为 。 (A) 发发 射射 极极 (B) 集集 电电 极极 (C) 基基 极极B A B （11）所）所 谓谓 晶晶 体体 管管 输输 出出 特特 性性 曲曲 线线 中中 的的 线线 性性 区区 域域 是是 指指 。 (A) 放放 大大 区区 (B)饱饱 和和 区区 (C)截截 止止 区区（12） 如如 果果 接接 在在 电电 路路 中中 某某 晶晶 体体 管管 的的 基基 极极 与与 发发 射射 极极 短短 路，路， 则则 。(A)管管 子子 深

28、深 度度 饱饱 和和 (B)管管 子子 截截 止止 (C)管管 子子 工工 作作 在在 放放 大大 状状 态态（13）图图 中中 已已 标标 出出 各各 硅硅 晶晶 体体 管管 电电 极极 的的 电电 位，位， 判判 断断 处处 于于 截截 止止 状状 态态 的的 晶晶 体体 管管 是是 。 A D B 1V3V3V0V0.5V0.7V10V4 V9.7V5.3V6V2.3V(a)(b)(c)(d)（6）测）测 得得 某某 一一 PNP 硅硅 管管 三三 个个 极极 的的 电电 位位 是：是：VB = 3.2V，VE = 2.5V，VC = 7V， 则则 该该 管管 工工 作作 在在 。 (A

29、)线线 性性 放放 大大 状状 态态 (B) 饱饱 和和 工工 作作 状状 态态(C) 截截 止止 工工 作作 状状 态态 （15）电电 路路 如如 图图 所所 示，示， 晶晶 体体 管管 处处 于于 。(A)线线 性性 放放 大大 状状 态态 (B) 饱饱 和和 工工 作作 状状 态态(C) 截截 止止 工工 作作 状状 态态 A B T12VRERC五、写出下图所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。 解：解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V，UO62V。六、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。求图所示电路中UO1和UO2各为多少伏。 解：解：UO16V，UO25V。 七、（1） 能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？ 解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。时，管子会因电流过大而烧坏。（2）现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问： （a）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？ （b）若将它们并联