半导体二极管和直流稳压电源分析

1、半导体二极管和直流稳压电源分析1.1 半导体的导电特性 半导体它的导电能力介于导体和绝缘体之间。如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等都是半导体。 半导体的导电特性主要表现在其导电能力在不同条件下具有很大的差别： （1）有的半导体对温度的反映特别灵敏。环境温度增高时，其导电能力要增强很多。 （2）有的半导体对光照的反映特别灵敏，当受到光照时，其导电能力要增强很多；当不受到光照时，又变得象绝缘体那样不导电。 （3）如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质，其导电能力要增强很多。 半导体的导电特性，在不同条件下具有很大的差别，是由其内部结构的特殊性所决定的。1 本征半导体 目前最常用的半导体材料是

2、硅和锗，它们的原子最外层都有四个价电子，都是四价元素。将硅和锗提纯（取掉无用杂质）并形成单晶体，即本征半导体。GeSiSiSiSiSi 共价键 在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子相结合。结合方法是，每一个原子的一个价电子与相邻的另外一个原子的一个价电子组成一个电子对，称为共价键。由于共价键的形成，每一个原子的最外层实际上相当于有8个价电子，在通常情况下，这8个价电子处于相对稳定的状态，但在获得一定能量后（温度升高或受光照）即可挣脱原子核的束缚而成为自由电子。SiSiSiSi 共价键 在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也

3、可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。SiSiSiSi 共价键 在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。SiSiSiSi 共价键 在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也

4、可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。SiSiSiSi 共价键 在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。 （1）半导体中存在自由电子和空穴两种载流子。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断复合。在一定条件下（

5、温度下）载流子的产生和复合达到动态平衡，于是载流子便维持一定数目。温度越高或受光照越强，载流子数目越多，半导体的导电性能也就越好，所以温度或光照对半导体的导电性能影响很大。 （2）当半导体两端加上电压后，半导体中将出现两部分电流。一部分是自由电子作定向运动所形成的电子电流，另一部分是价电子或自由电子填补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体的最大特点，也是半导体和导体导电的本质区别。 结 论2 N型半导体和P型半导体 本征半导体中虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，所以导电能力很低。如果在本征半导体中掺入微量的某种杂质（某种元素），将使掺杂后的半

6、导体（杂质半导体）的导电能力大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两类。电子半导体（N型半导体）空穴半导体（P型半导体）杂质半导体SiSiP+Si 电子半导体（N型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入磷（或其它五价元素）。磷原子的最外层有五个价电子，是五价元素。由于掺入硅或锗晶体中的磷原子数比硅或锗的原子数少得多，因此整个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被磷原子所取代。磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是这种半导体中自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式。在这种半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴

7、是少数载流子。P多余电子2.1 N型半导体 空穴半导体（ P型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入硼（或其它三价元素）。硼原子的最外层有三个价电子，是三价元素。由于掺入硅或锗晶体中的硼原子数比硅或锗的原子数少得多，因此整个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被硼原子所取代。硼原子在参加共价键结构时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。于是这种半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式。在这种半导体中，空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。B填补空穴空穴SiSiB-Si2.2 P型半导体注意 不论 N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体结构都是不带

8、电的。1.2 PN结 P型半导体或N型半导体的导电能力虽然比本征半导体的导电能力大大增强，但并不能直接用来制造半导体器件。通常是在一块晶片上，采取一定的掺杂工艺措施，在晶片两边分别形成P型半导体和N型半导体，那么它们的交接面就形成了PN结。PN结才是构成各种半导体器件的基础。1 PN结的形成P型半导体N型半导体 假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子（B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（ P离子）带正电。 由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N区有大量

9、的自由电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附近的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。+P型半导体N型半导体+ 假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子（B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（ P离子）带正电。 由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N区有大量的自由

10、电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附近的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。PN结 PN结中的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电，而在这个区域内，载流子数极少，所以空间电荷区的电阻率很高。+P型半导体N型半导体空间电荷区的电阻率很高 正负空间电荷在交接面两侧形成一个电场，称为内电场。内电场的方向由带正电的N区指向带负电的P区。内电场对多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）的扩散运动起

11、阻挡作用；对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则起推动作用，即推动少数载流子越过空间电荷区而进入对方，这种由少数载流子所形成的运动称为漂移运动。+P型半导体N型半导体漂移运动扩散运动内电场 扩散运动和漂移运动是相互联系，又是相互矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。随着扩散运动的进行，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。于是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逐渐增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本确定下来，PN结也就处于相对稳定的状态。+P型半导体N型半导体漂移运动扩散运动扩散运动使空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。内

12、电场越强，就使漂移运动越强，而漂移运动使空间电荷区变窄。内电场2 PN结的单向导电性外电场内电场变窄+P区N区RI+-由于内电场被削弱，多数载流子的扩散运动得到加强，所以能够形成较大的扩散电流。外电场内电场+P区N区RI0+-变宽由于内电场被加强，少数载流子的漂移运动得到加强，但少数载流子数量有限，只能形成较小的反向电流。结论 PN结具有单向导电性。 当PN结加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态。 当PN结加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态。1.3 半导体二极管1 基本结构将PN结加上电极引线和管壳，就成为了半导体二极管。PN+-阳极阴极图

13、形符号文字符号D按结构来分，半导体二极管点接触型面接触型 点接触型一般为锗管，它的 PN结结面积很小（结电容小），适用于小电流高频电路工作，也用于数字电路中的开关元件。 面接触型一般为硅管，它的 PN结结面积大（结电容大），可以通过较大电流，工作频率较低，适用于整流电路。2 伏安特性UI死区电压：硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。正向导通电压：硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。（1）半导体二极管实际上是一个PN结，所以具有单向导电性。（2）半导体二极管是非线性元件。反向击穿电压UBR3 主要参数（1）最大正向电流IFM指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。点接触型二极管的最大正向电

14、流在几十毫安以下；面接触型二极管的最大正向电流较大，如2CP10型硅二极管的这个电流为100mA。实际工作时，二极管通过的电流不应超过这个数值，否则将因管子过热而损坏。（2）最高反向工作电压UDRM 指二极管不被击穿所容许的最高反向电压。一般为反向击穿电压的1/22/3。如2CP10型硅二极管的这个电压为25V，而反向击穿电压为50V。（3）最大反向电流IRM 指二极管在常温下承受最高反向工作电压时的反向漏电流，一般很小，但受温度影响较大。反向电流大，说明二极管的单向导电性能差。硅管的反向电流较小，一般在几个微安以下；锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。4 二极管的应用 二极管的应用范围

15、很广，利用它的单向导电性，可组成整流、检波、限幅、嵌位等电路。还可构成其它元件或电路的保护电路，以及在数字电路中作为开关元件等。 在作电路分析时，一般将二极管视为理想元件，即认为正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向电压忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。RD1D2+-+-uiuoUs1Us2i0105-5-10uit0105-5-10uit例：图示为一正负对称限幅电路，已知ui=10sint V， Us1=Us2=5V，画出uo的波形。解题思路：（1）当|ui|5V时，D1处于正向偏置而导通，所以uo=5V。（3) ui0时：二极管正向导通，io0u0时：

16、D1、D3正向导通，D2、D4反向截止，io0 ，uo=u0 D4D2D1D3RLabuTruoio+-u0 ，uo=-u0 D4D2D1D3RLabuTruoio-+ttu23uo、io的波形与平均值 uoioD4D2D1D3RLabuTruoio二极管的平均电流二极管的最高反向电压例已知负载电阻RL=80，负载电压Uo=110V，采用桥式整流电路，交流电源电压为380V，如何选择整流二极管？解 可选用2CZ11C型二极管，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。 考虑到变压器副绕组及管子上的压降，变压器的副边电压大约要比计算值高出10%，所以1.7 滤波电路 交流电压经整流后输出

17、的是单向脉动的直流电压，其中既含有直流成分又含有交流成份。滤波电路的作用是利用电容元件两端电压不能跃变或电感元件中电流不能跃变的特性, 将电容元件与负载并联或将电感元件与负载串联，滤掉整流输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到输出电压平滑的目的。1 单相半波带电容滤波的整流电路uouaTrbDRLC+uCtu23D导通D截止tuoD截止C放电tuoObcaD导通C充电d Oa段：D导通，电源对C充电，uo=uC=u； ab段：从a点开始，u和uC都开始下降，u按正弦规律下降，uC按指数规律下降，开始uC下降速度大于u，所以D导通，uo=uC=u； bc段：从b点开始， u下降速度大于uC

18、，所以D截止， uo=uC，按指数规律变化，变化快慢决定于=RLC； cd段：uuC，D又导通，uo=uC=u，重复上一周期。uouaTrbDRLC+uCtu23tuoOtuo无电容滤波带电容滤波 带电容滤波时， uo的脉动大为减小，其平均值Uo增大。uouaTrbDRLC+uCtuoOtuo无电容滤波带电容滤波 在空载时： 随着负载的增大（ RL ），放电时间常数=RLC ，放电加快，所以Uo 。uouaTrbDRLC+uC通常规定：单相半波带电容滤波的整流电路单相全波带电容滤波的整流电路单相半波带电容滤波整流电路的特点一般取(T：电源电压的周期)(2) 流过二极管的瞬时电流很大 =RLC愈

19、大Uo愈大负载电流的平均值愈大整流管导通角愈小iD的峰值也就愈大。(1) 输出电压Uo与时间常数 =RLC有关 =RLC愈大电容C放电愈慢Uo(uo的平均值)愈大。(3) 二极管承受的最高反向电压(4)、输出外特性Uo与Io的关系曲线Uo带电容滤波1.4U0.45UIo无电容滤波 带电容滤波的整流电路，其外特性较差，或者说带负载能力较差。电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且变化也较小的场合。uouaTrbDRLC+uCio2 电感滤波电路电路结构： 在整流电路与负载之间串联一个电感L就构成了电感滤波电路。uouTrbRLLau（1）滤波原理 对u的直流分量：f=0，XL=0 ，相当于

20、短路，电压大部分降在RL上；对u的交流分量：f越高，XL越大，电压大部分降在XL上。因此， uo主要是u的直流成分，uo是比较平滑的直流电压。UoU 当忽略L的直流电阻时，uo的平均值约为：uouTrbRLLauLuouTrbRLau（2）电感滤波的特点: 整流管导通角较大，峰值电流很小，输出外特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。3 复合滤波电路 单独使用电容或电感构成的滤波电路，滤波效果不够理想，为了满足较高的滤波要求常采用电容和电感组成的LC、CLC-型等复合滤波电路。这两种滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。

21、LC+C+C+LC+C+LC+C+R 在负载较轻时，常采用电阻代替笨重的电感，构成CRC-型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，所以只适用于负载电流较小的场合。1.8 稳压电路 经整流和滤波后的直流电压往往还会随交流电源电压的波动或负载的变化而变化。为了得到很稳定的直流电压，直流稳压电源还需在整流、滤波电路之后再加一级稳压电路。最简单的稳压电路是采用稳压管和限流电阻组成。UoUiRRLDZIZIo稳压电路Ui是经整流和滤波后的电压UoUiRRLDZIZIo* 当交流电源电压波动而使Ui变化时Uo= Ui -URIZURURUo=Ui -UR若UiUo = Ui -URIZURUo=Ui -UR若UiUoUiRRLDZIZIoU