第一章 二极管

1、1第一章第一章 二极管及直流稳压电源二极管及直流稳压电源重点掌握：重点掌握：晶体二极管的伏安特性及主要参数，二极晶体二极管的伏安特性及主要参数，二极管典型应用电路，直流稳压电源的结构及原理管典型应用电路，直流稳压电源的结构及原理不要将注意力过多放在管子内部，而以理解外特性为不要将注意力过多放在管子内部，而以理解外特性为主主2二极管单向导电性二极管单向导电性（重要掌握知识）（重要掌握知识）3小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管一、一、二二极极管管外外形形图图4二、二极管的二、二极管的伏安特性伏安特性开启电压开启电压Uon:硅管硅管0.5V，锗管

2、锗管0.1V导通电压导通电压: 硅管硅管0.60.8V,锗管锗管0.10.3V反向击穿反向击穿电压电压UBR)1( TUuSeIiUI5理想二极管：开启电压理想二极管：开启电压=0 V，导通压降，导通压降=0 V。二极管：开启电压二极管：开启电压=0 .5V，导通压降，导通压降 0.7V(硅二极管硅二极管)RLuiuouiuott1：二极管半波整流：二极管半波整流三、二极管应用三、二极管应用电路举例62、 二极管与门电路二极管与门电路0V3VYABVCC=+5VD13k3kRD2&ABY=ABVAVBVY0V0V0V3V3V0V3V3V电压功能表电压功能表0.7V0.7V0.7V3.7

3、V硅管硅管 UD=0.7V73 3、 二极管或门电路二极管或门电路0V3VABYDD12R3k3kABY=A+B11电压功能表电压功能表VAVBVY0V0V0V3V3V0V3V3V0V2.3V2.3V2.3V硅管硅管 UD=0.7V8四、四、 二极管的主要参数二极管的主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流 IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管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UR二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常UR是击穿是击穿电压电压UBR的一半。的一半。3. 反向电流

4、反向电流IR4. 最高工作频率最高工作频率 fM指二极管加反向电压且未击穿时的反向电流。指二极管加反向电压且未击穿时的反向电流。二极管工作的上限频率。二极管工作的上限频率。二极管的应用：二极管的应用：主要利用它的单向导电性，应用于整流、限幅、保护等等。主要利用它的单向导电性，应用于整流、限幅、保护等等。9半导体及半导体及PNPN结概述结概述（了解、理解知识）（了解、理解知识）10一、半导体基本知识一、半导体基本知识导体：导体： 容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。 109cm半导体：半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体导电特性介于

5、导体和绝缘体之间的物质称为半导体, , 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变改变。例如：室温下，在纯硅中。例如：室温下，在纯硅中掺掺入百万分之一的硼，可以使入百万分之一的硼，可以使硅的导电能力提高硅的导电能力提高5

6、050万倍。万倍。111 1 、本征半导体、本征半导体u结构特点结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅现代电子学中，用的最多的半导体是硅(14)和锗和锗(32)，它，它们的最外层电子（价电子）都是四个。们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。+14284Si硅原子结构示意图+3228 18Ge锗原子结构示意图锗原子结构示意图4原子结构示意图原子结构示意图13在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵

7、，每个原在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成每个原子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：硅和锗的晶体结构：+4+4表表示示除除去去价价电电子子后后的的正正离离子子14硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共价键共用电子对共用电子对+4+4+4+4形成共价键后，每个原子的形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳最外层电子是八个，构成稳定结构。定结构。共价键有很强的结合力，使共价键

8、有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。原子规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚在共价键中，称为束缚束缚电子电子，常温下束缚电子很难常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。导电能力很弱。15u本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没和没有外界激发时有外界激发时, ,价电子完全被共价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即有可

9、以运动的带电粒子（即载载流子流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。相当于绝缘体。在常温下，由于热激发在常温下，由于热激发, ,使一些价电子获得足够的能量使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为而脱离共价键的束缚，成为自自由电子由电子，同时共价键上留下一，同时共价键上留下一个空位，称为个空位，称为空穴空穴。l载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由自由电子电子空穴空穴束缚电子束缚电子本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴总是成对出现的，而且数量相总是成对出现的，而且数量相等，称为等，称为电子空穴对。电子空穴对。16本征半导体的

10、导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在电场力的作用下，自由电在电场力的作用下，自由电子作定向移动，空穴也会吸子作定向移动，空穴也会吸引附近的价电子来依次填补引附近的价电子来依次填补,结果相当于空穴也作定向移结果相当于空穴也作定向移动，而空穴的移动相当于正动，而空穴的移动相当于正电荷的移动，因此也可以认电荷的移动，因此也可以认为空穴是为空穴是载流子载流子。自由电子在运动过程中如果与自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴而消失空穴相遇就会填补空穴而消失,称为称为复合复合；在一定的温度下，；在一定的温度下，热激发产生的自由电子与空穴热激发产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴

11、对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，故达到对数目相等，故达到动态平衡动态平衡.本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度，在一定温度下载流子的浓度，在一定温度下,载流子的浓度是一定的，载流子的浓度是一定的，温度温度越高，载流子的浓度越高，越高，载流子的浓度越高，本本征半导体的导电能力越强征半导体的导电能力越强。本征半导体中电流由两部分本征半导体中电流由两部分组成：组成： 自由电子移动产生的自由电子移动产生的电流，电流， 空穴移动产生的电流空穴移动产生的电流自由电子自由电子和和空穴空穴都参与导电都参与导电+-电子和空穴的产生过程动画演示电子和空穴的产生过程动画演示182

12、2、杂质半导体、杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加了。杂半导体的某种载流子浓度大大增加了。P 型半导体：型半导体：在本征半导体中掺入三价元素在本征半导体中掺入三价元素(如硼如硼)构成的杂质半导体。构成的杂质半导体。N 型半导体：型半导体：在本征半导体中掺入五价元素在本征半导体中掺入五价元素( (如磷如磷) )构成的杂质半导体。构成的杂质半导体。19uN 型半导体型半导体 多余电子因不受共价键的束缚成为多余电子因不受共价键的束缚成

13、为自由电子自由电子，同时磷原子同时磷原子就成为不能移动的带正电的离子，称为就成为不能移动的带正电的离子，称为施主原子。施主原子。 另外另外N 型半导体中还有少量的空穴，其浓度远小于自由电型半导体中还有少量的空穴，其浓度远小于自由电子的浓度，所以把自由电子称为子的浓度，所以把自由电子称为多数载流子多数载流子，空穴称为空穴称为少数载少数载流子，流子，简称简称多子多子和和少子少子。在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入五价元素五价元素多余电子多余电子磷原子磷原子+N型硅表示型硅表示20uP 型半导体型半导体 P 型半导体中空穴是型半导体中空穴是多数载流子多数载流子，电子是电子是少少数载流子数载流子。

14、当附近硅原子的外层电子由于热运动填补空穴时，硼原当附近硅原子的外层电子由于热运动填补空穴时，硼原子成为不可移动的负离子。硼原子称为子成为不可移动的负离子。硼原子称为受主原子受主原子。在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入三价元素三价元素空穴空穴硼原子硼原子P型硅表示型硅表示N型半导体的形成过程型半导体的形成过程P型半导体的形成过程型半导体的形成过程23u杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子由于数量的关系，起导电作用的主要是

15、多子。近近似认为多子似认为多子浓度浓度与所掺杂质浓度相等。与所掺杂质浓度相等。24uPN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上在同一片半导体基片上采用不同的掺杂工艺分采用不同的掺杂工艺分别制造别制造P 型半导体和型半导体和N 型半导体，由于浓度的型半导体，由于浓度的不同，经过载流子的不同，经过载流子的扩扩散散，在它们的交界面处，在它们的交界面处就形成了就形成了PN 结。结。二、二、 PN PN 结结由于浓度差而产生的运动由于浓度差而产生的运动称为称为扩散运动扩散运动。25在电场力的作用下，载流子的运动称为在电场力的作用下，载流子的运动称为漂移运动漂移运动。随着随着扩散扩散运动的进行，空间电荷区

16、加宽，内电场增强，运动的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，阻止扩散运动的进行，但有利于少子的阻止扩散运动的进行，但有利于少子的漂移漂移。空间电荷区，也称耗尽层。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区，也称耗尽层。空间电荷区中没有载流子。P 区中的电子和区中的电子和 N 区中的空穴（都是少子），数量有限，区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。因此由它们形成的电流很小。PN 结具有单向导电性结具有单向导电性当扩散的多子和漂移的少子数目相等时，达到动态平衡，当扩散的多子和漂移的少子数目相等时，达到动态平衡，形成形成PN 结。结。漂移运动漂移运动PN结形成过程动画演示结形成过程动画演

17、示27PN 结正向偏置结正向偏置P P 正正N N 负负, ,导通导通内电场内电场外电场外电场变薄变薄+REPN+-内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。成较大的扩散电流。uPNPN结的单向导电性结的单向导电性限流电阻限流电阻PN结正偏动画演示结正偏动画演示29PN 结反向偏置结反向偏置P负负N 正，截止正，截止内电场内电场外电场外电场变宽变宽内电场被加强，多子的内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电只能形成较小的反向电流。流。+NP+_RE反向反向 饱和电

18、流饱和电流PN 结具有单向导电性！结具有单向导电性！PN结反偏动画演示结反偏动画演示31三、二极管的识别和检测三、二极管的识别和检测1、识别、识别 认型号、辩正负认型号、辩正负第一部分第一部分第二部分第二部分第三部分第三部分第四部分第四部分第五部分第五部分用数字表示器用数字表示器件电极数目件电极数目用汉语拼音表示器件的用汉语拼音表示器件的材料和极性材料和极性用汉语拼音表示器件的类型用汉语拼音表示器件的类型符符号号意义意义符符号号意义意义符符号号意义意义符符号号意义意义23二极管二极管三极管三极管AN型，锗材料型，锗材料P普通管普通管D低频大功率管低频大功率管用数字表示用数字表示器件序号器件序号

19、用汉语拼音用汉语拼音表示规格号表示规格号BP型，锗材料型，锗材料V微波管微波管A高频大功率管高频大功率管CN型，硅材料型，硅材料W稳压管稳压管T半导体闸流管半导体闸流管DP型，硅材料型，硅材料C参量管参量管Y体效应器件体效应器件APNP型，锗材料型，锗材料Z整流管整流管B雪崩管雪崩管BNPN型，锗材料型，锗材料L整流堆整流堆J阶跃恢复管阶跃恢复管CPNP型，硅材料型，硅材料S隧道管隧道管CS场效应器件场效应器件DNPN型，硅材料型，硅材料N阻尼管阻尼管BT半导体特殊器件半导体特殊器件E化合物材料化合物材料U光电器件光电器件FH复合管复合管K开关管开关管PINPIN型管型管X低频小功低频小功率管

20、率管JG激光管激光管G高频小功高频小功率管率管普通二极管：普通二极管：2*P*稳压二极管：稳压二极管：2*W*322、检测、检测u指针表指针表 欧姆档（欧姆档（R 1K） 看正向反向电阻值；看正向反向电阻值；u数字万用表数字万用表 二极管档二极管档 测测PN结正向反向压降结正向反向压降33作业：按照以下例图进行仿真运行，测量变作业：按照以下例图进行仿真运行，测量变压器副边、整流输出电压值各是多少，观察压器副边、整流输出电压值各是多少，观察输出波形。输出波形。34二极管整流应用电路二极管整流应用电路（重要掌握知识）（重要掌握知识）整流电路整流电路 将交流电压转变为脉动的直流电压。将交流电压转变为

21、脉动的直流电压。 半波、全波、桥式和倍压整流；半波、全波、桥式和倍压整流； 单相和三相整流等。单相和三相整流等。 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性t uDO u 负半周，负半周，VauC时，二极管导通，时，二极管导通，电源在给负载电源在给负载RL供电的供电的同时也给电容充电，同时也给电容充电， uC 增加，增加，uo= uC = u 。 CC+Cici +aDuoubRLio= uC 二极管承受的最高反向电压为二极管承受的最高反向电压为 UU22DRM uoU2U2u tO tOiout U2u

22、o tU2RLuo+ u1234ab+ +C u uC时，二极管导通，时，二极管导通，电源在给负载电源在给负载RL供电的供电的同时也给电容充电，同时也给电容充电， uC 增加，增加，uo= uC= u 。 CC u25)(3LTCR 一般取一般取(1) (1) 输出电压的脉动程度与平均值输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间与放电时间 常数常数RLC有关。有关。 近似估算取：近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 桥式、全波）桥式、全波） Uo = 1. 0 U （半波）半波）U2 为了得到比较平直的输出电压为了得到比较平直的输出电压L uRLuo+C 滤波效果比滤波效果比LC滤波器更好，

23、滤波器更好，但二极管的冲击但二极管的冲击电流较大。电流较大。 比比 形形 LC 滤波器的体积滤波器的体积小、成本低。小、成本低。L uRLuo+C2+C1R uRLu+C2+C1 49作业：分别测量上次仿真电路中原边、副边、作业：分别测量上次仿真电路中原边、副边、整流、滤波、负载开路等各种情况下电压值，整流、滤波、负载开路等各种情况下电压值，并根据本次课验证本次课中的计算公式。并根据本次课验证本次课中的计算公式。50直流稳压电路直流稳压电路（掌握知识）（掌握知识）51u整流滤波后的直流电压源的应用问题？整流滤波后的直流电压源的应用问题？u解决方法？解决方法？52一、一、 稳压二极管稳压二极管U

24、IIZIZmax UZ IZUZ稳压二极管工作在二极管稳压二极管工作在二极管特性曲线的反向击穿部分特性曲线的反向击穿部分动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz 越小，曲线越陡越小，曲线越陡,稳压性能越好。稳压性能越好。符号和等效电路：符号和等效电路：（IZmin）使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻稳定电压稳定电压稳定电流稳定电流53（2）稳定电流稳定电流IZ（3）额定功耗）额定功耗maxZZZMIUP稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（5）温度系数温度系数 稳压值受温度变化影响的系数。稳压值受温度变化影响的系数。（4）动态电阻）动态电阻ZZIUZrUO =

25、UZ IR = IO + IZUIUZRL (IO ) IR 设设UI一定，负载一定，负载RL变化变化UO 基本不变基本不变 IR (IRR) 基本不变基本不变 UO (UZ ) IZ +UIRL+CIOUO+uIRRDZIz限流调压限流调压稳压电路稳压电路ORIUUU 55稳压二极管的计算举例：稳压二极管的计算举例：P25UoIZILIRUIDZRRL5mA2 5mA, V,6maxmin ZZZIIU如图所示电路，稳压管的如图所示电路，稳压管的输入电压输入电压UI=10V，负载电阻，负载电阻RL=600，求限流电阻求限流电阻R的取值的取值范围范围。解：解：LZZZILZZIRRRUIUUI

26、IUUIU R II IZLR 01.04600/6610 ZZIIZIR-UUU ZOUU 56得得代入上式代入上式将将，mAImAIZZ25,5maxmin 22701. 0005. 0401. 04minmaxRIR 11401. 0025. 0401. 04maxminRIR限流电阻限流电阻R的取值范围为的取值范围为114 227 01.04 ZIR单片集成稳压电源，具有体积小单片集成稳压电源，具有体积小, ,可靠性高可靠性高, ,使使用灵活用灵活, ,价格低廉等优点。价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端引出端,故称之为三端集成稳压器。故称之为三端集成稳压器。1. 分类分类两位数字为输出电压值两位数字为输出电压值三三端端稳稳压压器器输出固定电压输出固定电压输出正电压输出正电压78XX 输出负电压输出负电压79XX （1. 25 37 V 连续可调）连续可调）W78系列稳压器外形系列稳压器外形1输入端输入端2 公共端公共端3 输出端输出端W7900系列稳压器外形系列稳压器外形1 公共端公共端2