第1+10章 二极管及其稳压电路

1、电子科学与应用物理学院刘士兴L屯溪路校区逸夫科技楼1018 tel：62902045第一章 半导体二极管和三极管1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 1.4 场效应管场效应管1 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应 导体导体铁、铝、铜等金属元素等低铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其价元素，其最外层电子最外层电子在外电场作用在外电场作用下很容易产生下很容易产生定向移动定向移动

2、，形成，形成电流电流。 绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等，其原惰性气体、橡胶等，其原子的子的最外层电子受原子核的束缚最外层电子受原子核的束缚力很力很强，只有在外电场强到一定程度时才强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。可能导电。 一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体。本征半导体本征半导体是纯净的单晶体结构的半导体。是纯净的单晶体结构的半导体。1 1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？半导体半导体硅硅（Si）、）、锗锗（Ge），均为），均为四价元素四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的它们原子的最

3、外层电子受原子核的束缚力束缚力介于导介于导体与绝缘体之间。体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的量的价电子挣脱共价键的束缚而成为束缚而成为自由电子！自由电子！自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为留有一个空位置，称为空穴空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合复合。共价键共价键 一定温度下，一定温度下，自由电子与空穴对自由电子与空穴对的浓度一定；的浓度一定；动态平衡动态平衡两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电子外加电场时，带

4、负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目运动方向相反。由于载流子数目很少，故很少，故导电性很差。导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载流子载流子。 复合复合动态平衡，导动态平衡，导电性差，热力学温度电性差，热力学温度0K时不导电。时不导电。 温度升高，热运动加剧，温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电载流子浓度增大，导电性增强性增强本征激发本征激发二、杂质半导体 1. N N型半导体5磷（磷（P） 空穴比未加杂质时的数目空穴比未加杂质时的数目多了？

5、少了？为什么？多了？少了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载杂质半导体主要靠多数载流子导电。流子导电。 掺入杂质掺入杂质越多，多子浓度越多，多子浓度越高，导电性越强，实现越高，导电性越强，实现导电性可控导电性可控。多数载流子多数载流子 2. 2. P型半导体3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠型半导体主要靠空穴导空穴导电电，掺入杂质越多，空，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越穴浓度越高，导电性越强。强。 在杂质半导体中，在杂质半导体中，温度温度变化时，载流子的数目变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化

6、相同与多子浓度的变化相同吗？吗？三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为物质因浓度差而产生的运动称为扩散扩散运动。气运动。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生区的自由电子浓度降低，产生内电场内电场（空间电荷区）。（空间电荷区）。PN 结的形成 因电场作用所因电场作用所产生的运动称为产生的运动称为漂移漂移运动。运动。 参与扩散运动

7、和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到达到动态平衡动态平衡，就形成了，就形成了PN结结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少区的交界面缺少多数载流子多数载流子，形成，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。PN结加结加正向电压正向电压导通：导通： 耗尽层变窄，扩散运耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的动加剧，由于外电源的作用，形成作用，形成扩散电流扩散电流，PNPN结结处于处于导通导通状态。状态。P

8、N结加结加反向电压反向电压截止：截止： 耗尽层变宽，阻止扩散耗尽层变宽，阻止扩散运动，形成运动，形成漂移电流漂移电流。由。由于电流于电流很小很小，故可近似认，故可近似认为其为其截止截止。PN 结的单向导电性必要吗？必要吗？四、PN 结的电容效应1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相电容的充放电相同同，其，其等效电容等效电容称为势垒电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流

9、子的浓度及其梯度均有变化，也有的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放电荷的积累和释放的的过程，其等效电容称为扩散电容过程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！则失去单向导电性！思考题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成料制成本征半导体本征半导体，导电性能极差，又将，导电性能极差，又将其其掺杂掺杂，改善导电性能？，改善导电性能？ 为什么半导体器件的为什么半导体器件的温度稳定性差温度稳定性差？ 是是多子多子还是少子

10、是影响温度稳定性的主要还是少子是影响温度稳定性的主要因素？因素？ 为什么半导体器件有为什么半导体器件有最高工作频率最高工作频率？2 半导体二极管一、二极管的组成一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数五、稳压二极管五、稳压二极管 一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。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、二极管的组成点接触型：点接触型：结面积结面积小，结电容小，故

11、小，结电容小，故结允许的电流小，结允许的电流小，最高工作频率高。最高工作频率高。面接触型面接触型：结面：结面积大，结电容大，积大，结电容大，故允许的电流大，故允许的电流大，最高工作频率低。最高工作频率低。平面型：平面型：结面积可结面积可小、可大，小的工小、可大，小的工作频率高，大的结作频率高，大的结允许的电流大。允许的电流大。 二、二极管的伏安特性及电流方程材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A)(ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压mV)26( ) 1e (TSTU

12、IiUu常温下温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。利用Multisim测试二极管伏安特性从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性单向导电性STIiUu，则若反向电压TeSTUuIiUu，则若正向电压) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向反向特性特性为横轴的平行线为

13、横轴的平行线增大增大1倍倍/10三、二极管的等效电路理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！1. 将伏安特性折线化？100V？5V？1V？2. 微变等效电路DTDDdIUiur根据电流方程， 当二极管在静态基础上有一当二极管在静态基础上有一动态信号动态信号作用时，则可将作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为二极管等效为一个电阻，称为动态电阻动态电阻，也就是微变等，也就是微变等效电路

14、。效电路。ui=0时（直流电）作用时（直流电）作用小信号作用小信号作用ID为静态电流；为静态电流；Q越高，越高，rd越小。越小。四、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF：最大平均值：最大平均值 最大反向工作电压最大反向工作电压UR：最大瞬时值：最大瞬时值 反向电流反向电流 IR：即：即IS 最高工作频率最高工作频率fM：因：因PN结有电容效应结有电容效应讨论：解决两个问题解决两个问题 如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？ 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViRQIDUDRuViDDV与与uD可比，则需图解：可比，则需图

15、解：实测特性实测特性 对对V和和Ui二极管二极管的模的模型有什么不同？型有什么不同？直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路波形分析五、稳压二极管1. 伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，成，反向击穿反向击穿后在一定的电流后在一定的电流范围内端电压基范围内端电压基本不变，为本不变，为稳定稳定电压电压。2. 主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管

16、的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：使用稳压管需要注意的几个问题：UOIO+IZIRUI+ 1. 外加外加电源的正极接管子电源的正极接管子的的 N 区区，电源的，电源的负极接负极接 P 区区，保，保证管子工作在反向击穿区；证管子工作在反向击穿区；RL2. 稳压管稳压管应应与与负载电阻负载电阻 RL 并联并联；3. 必须限制流过稳压管的电必须限制流过稳压管的电流流 IZ，不能超过规定值，不能超过规定值，以免因，以免因过热而

17、烧毁管子。过热而烧毁管子。例例2：稳压二极管的应用稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ 稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值U UZ Z=10V=10V，I Izmaxzmax=12mA=12mA，I Izminzmin=2mA=2mA，负载电阻负载电阻R RL L=2k=2k ，输入电压，输入电压u ui i=12V=12V，限流电阻，限流电阻R=200 R=200 ，求，求iZ。 若若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 1.5 k k 4 4 k k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？RLuiuORDZiiziLUZUZ=10V ui=12V R=20

18、0 Izmax=12mA Izmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k ) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）iZ在在12mA和和2mA之间之间, 稳压管仍能起稳压作用。稳压管仍能起稳压作用。第十章 直流电源10.1 直流电源的组成直流电源的组成10.2 单相整流电路单相

19、整流电路10.4 稳压管稳压电路稳压管稳压电路10.3 滤波电路滤波电路10.1 直流电源的组成改变电压值改变电压值通常为降压通常为降压交流变脉交流变脉动的直流动的直流减小脉动减小脉动1) 负载变化输出电压负载变化输出电压基本不变；基本不变；2) 电网电压变化输出电网电压变化输出电压基本不变。电压基本不变。 直流电源是能量转换电路，将直流电源是能量转换电路，将220V（或或380V）50Hz的的交流电转换为直流电。交流电转换为直流电。半波整流半波整流全波整流全波整流 在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动压波动10，且负载有一定的

20、变化范围。，且负载有一定的变化范围。10.1直流电源的组成10.210.2 单相整流电路一、一、对整流电路要研究的问题对整流电路要研究的问题二、单相半波整流电路二、单相半波整流电路三、单相桥式整流电路三、单相桥式整流电路一、对整流电路要研究的问题1. 电路的工作原理：即二极管工作状态、电路波形的分析：即二极管工作状态、电路波形的分析2. 输出电压和输出电流平均值：即输出脉动直流电压和：即输出脉动直流电压和电流平均值的求解方法电流平均值的求解方法3. 整流二极管的选择：即二极管承受的最大整流平均电流：即二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压的分析和最高反向工作电压的分析 简单起见，设二极

21、管为理想二极管，变压器内阻为简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为0。整流二极管的伏安特性：整流二极管的伏安特性：实际特性实际特性理想化特性理想化特性 理想二极管的正向导理想二极管的正向导通电压为通电压为0，即正向电，即正向电阻为阻为0；反向电流为；反向电流为0，即反向电阻为无穷大。即反向电阻为无穷大。二、单相半波整流电路1. 工作原理u2的正半周，的正半周，D导通，导通， ADRLB，uO= u2 。 2uu2的负半周，的负半周，D截止，承受反向电压，为截止，承受反向电压，为u2； uO=0。2u2. 2. UO（AV）和 IL（AV）的估算 已知变压器副边电压有效值为已知变压器副边电

22、压有效值为U2) (d sin2212 0 O(AV)ttUUL2LO(AV)L(AV)45. 0RURUIL2L(AV)D(AV)45. 0RUII2maxR2UU2RL2F21 . 1 45. 01 . 1 UURUI22O(AV)45. 02UUU 考虑到电网电压波动范围为考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满，二极管的极限参数应满足：足： （3）二极管的选择）二极管的选择三、单相桥式整流电路u2的正半周的正半周 AD1RLD3B，uO= u2u2的负半周的负半周 B D2RLD4 A，uO= -u21. 工作原理uOu2OO三、单相桥式整流电路u2的正半周的正半周 AD1R

23、LD3B，uO= u2u2的负半周的负半周 B D2RLD4 A，uO= -u2四只管子如何接？四只管子如何接？ 集成的桥式整流电集成的桥式整流电路称为整流堆。路称为整流堆。1. 工作原理uOu2OO若接反了呢？若接反了呢？2. 输出电压和电流平均值的估算) (d sin21 0 2O(AV)ttUUL2LO(AV)L(AV)9 . 0RURUI22O(AV)9 . 022UUU3. 二极管的选择2maxR2UUL2L(AV)D(AV)45. 02RUII2RL2F21 . 1 45. 01 . 1 UURUI 考虑到电网电压波动范围为考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满，二极管

24、的极限参数应满足：足： 与半波整与半波整流电路对流电路对二极管的二极管的要求相同要求相同10.3 滤波电路一、电容滤波电路一、电容滤波电路二、电感滤波电路二、电感滤波电路三、倍压整流电路三、倍压整流电路一、电容滤波电路1. 工作原理非常小。，对电容充电，时，有一对二极管导通当充电 2Cuu。放电，电容通过时，所有二极管均截止当放电CRRuuCLL2 充电充电放电速度与正弦放电速度与正弦波下降速度相似波下降速度相似按指数规律下降按指数规律下降滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。充电充电放电速度与正弦放电速度与正弦波下降速度相似波下降速度相似按指数规律下降按指数规律下降滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。 C 越大，越大， RL越大，越大，越大，越大，放电越慢，曲线越平滑，脉动放电越慢，曲线越平滑，脉动越小。越小。考虑整流电路的内阻考虑整流电路的内阻2. 二极管的导通角导通角导通角的峰值脉动放电DO(AV)LiURC 无滤波电容时无滤波电容时。 有滤波电容时有滤波电容时 ILmax ILmin（3）限流电阻的选择