半导体二极管及应用电路

2022/12/311:11课程简介1、课程性质：重点专业基础课适用专业：机电类专业

2022/12/311:112、课程内容主要内容分为两类：第一类为模拟电子技术。第二类为数字电子技术。模拟电路部分主要介绍半导体器件、放大电路基础、集成运算放大器及反馈、直流稳压电源。数字电路部分主要介绍常用逻辑门电路，逻辑代数基础、组合逻辑电路、触发器及时序逻辑电路和脉冲的产生与变换。模拟电路部分以基本概念、基本方法为主；数字电路部分以电路功能、应用和使用方法为主。2022/12/311:113、课程目标：通过本课程的学习，使学生掌握电子技术各种基本功能电路的组成、基本工作原理、性能特点，熟悉电子技术工艺技能和电子仪器的正确使用方法，初步具有查阅电子元器件手册，正确使用元器件的能力、读识常见电子线路图的能力、测试常用电路功能及排除故障的能力。能复述逻辑门电路的功能，并能利用逻辑门电路设计简单的组合逻辑电路，并能分析简单时序逻辑电路的功能。为后续课程学习准备必要的知识，为今后从事实际工作打下必要的基础。2022/12/311:114、情感态度与价值观参与科技活动的热情，勇于探究与日常生活有关的电学问题；享受快乐的学习过程及学习成果，养成持之以恒的学习精神；形成主动与他人合作的精神，具有团队精神；关心国内外科技发展现状与趋势，有强烈的使命感与责任感。半导体二极管及应用电路第一章主要内容：半导体二极管的概念不同种类二极管的作用桥式整流电路的结构及作用滤波电路的作用2022/12/311:11物质导体绝缘体半导体任务一：半导体及PN结物质按导电能力可以一下三大类：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间,且随着掺入杂质、输入电压（电流）、温度和光照条件的不同而发生很大变化，人们把这一类物质称为半导体。2022/12/311:11任务一：半导体及PN结半导体完全纯净的、结构完整的半导体称为本征半导体。在现代电子器件中，用得最多的半导体材料就是硅和锗。本征半导体：在本征半导体硅或者锗的晶体内，掺入五价元素杂质如磷、砷、锑等。N型半导体：P型半导体：在本征半导体硅或者锗的晶体中，掺入三价元素杂质如硼、铟等。直流稳压电源的制作一、半导体基础知识+4+4+4+4本征半导体结构图自由电子空穴空穴价电子共价键原子最外层轨道上的电子。相邻原子共有价电子所形成的束缚。在室温下或光照下，本征半导体中少数价电子因受热而获得能量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电子。失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留下了一个空位，这个空位称为空穴。2022/12/311:11任务一：半导体及PN结

1．N型半导体：主要靠电子导电的半导体。即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

2．P型半导体：主要靠空穴导电的半导体。即：空穴是多数载流子，电子是少数载流子。经过特殊的工艺加工，将P

型半导体和N

型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面就会出现一个特殊的接触面，称为PN结。

PN

结具有单向导电特性。PN结2022/12/311:11P型和N型半导体结合前后任务一：半导体及PN结2022/12/311:11

（1）正向导通：电源正极接P型半导体，负极接N型半导体，电流大。

（2）反向截止：电源正极接N型半导体，负极接P型半导体，电流小。

结论：PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止，这种特性称为PN结的单向导电性。任务一：半导体及PN结2022/12/311:111、导电性能介于

和

之间的物质称为“半导体”。3、P型半导体中的多数载流子是

，N型半导体中的多数载流子是

。2、把PN结外加正向电压时导通、外加反向电压时截止时的特性叫做

特性。

练一练：直流稳压电源的制作一、半导体基础知识3.PN结的击穿特性

反向击穿——当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。电击穿——若反向电压下降到击穿电压以下后，其性能可恢复到原有情况，即这种击穿是可逆的，称为电击穿。热击穿——若反向击穿电流过大，则会导致PN结结温过高而烧坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。直流稳压电源的制作讨论题

反向击穿后，PN结就损坏了吗？2022/12/311:11任务二：半导体二极管基本知识二极管的外观1二极管的种类2二极管的结构3二极管的作用42022/12/311:11二极管的结构

1．半导体二极管的结构和符号

利用PN结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器件——半导体二极管。

箭头表示正向导通电流的方向。

电路符号如图所示。2022/12/311:11二极管的结构二极管正向偏置二极管反向偏置二极管单向导电性验证试验：2022/12/311:11由于管芯结构不同，二极管又分为点接触型（如图a）、面接触型（如图b）和平面型（如图c）。

点接触型：PN结接触面小，适宜在小电流状态下使用。面接触型、平面型：PN结接触面大，截流量大，适合于大电流场合中使用。二极管的结构2022/12/311:11

2．二极管的特性

伏安特性：二极管的导电性能由加在二极管两端的电压和流过二极管的电流来决定，这两者之间的关系称为二极管的伏安特性。硅二极管的伏安特性曲线如图所示。特性曲线二极管的结构2022/12/311:11②正向导通：当外加电压大于死区电压后，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通。①死区：当正向电压较小时，正向电流极小，二极管呈现很大的电阻，如OA段，通常把这个范围称为死区。

死区电压：

导通电压：îíì=onV0.2V~0.3V（Ge）0.6V~0.7V（Si）

结论：正偏时电阻小，具有非线性。

（1）正向特性（二极管正极电压大于负极电压）îíì=(Si）V0.2V5.0TV(Ge）二极管的结构2022/12/311:11二极管的结构

②反向击穿：若反向电压不断增大到一定数值时，反向电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。①反向饱和电流：当加反向电压时，二极管反向电流很小，而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化，故称为反向饱和电流。

（2）反向特性（二极管负极电压大于正极电压）

普通二极管不允许出现此种状态。

结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。二极管属于非线性器件

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3．半导体二极管的主要参数

（1）最大整流电流IF：

二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。

二极管正常使用时允许加的最高反向电压。使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个数值，否则可能损坏二极管。

（2）最高反向工作电压VRM使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。二极管的结构2022/12/311:11二极管的种类、外观及作用普通二极管起检波、整流、开关作用电源、信号指示和显示等①发光二极管特殊二极管2022/12/311:11特殊二极管能稳定一定的电压值，须工作在反向击穿区

工作在反向特性区，反向电流随光照增加而增大通过调节其两端反向电压而改变其电容量的大小，常用在高频调谐、通信等电路中②稳压二极管③光电二极管④变容二极管2022/12/311:111、理想二极管导通时，其管压降约为UD=

，其等效电阻rD约为

。2、要使硅二极管工作在截止状态，应使其外加电压UD为

。练一练：3、稳压二极管正常工作时应工作在

状态。4、硅材料二极管的死区电压和正向导通电压分别为＿＿＿V和＿＿＿V。2022/12/311:11任务三：整流滤波电路“整流”是什么意思？有几种整流电路？这些整流电路的结构是怎样的呢？整流电路的优缺点？“滤波”是什么意思？如何实现滤波？滤波电路的种类？任务分解2022/12/311:11一、整流电路将交变电流变换成单向脉动电流的过程称为整流。实现这种功能的电路称为整流电路或整流器。请大家思考：生活中的手机、电脑、电视机等，它们实际工作电压值是交流220V吗？NO！我们的生活、学习和工作中有许多电器实际的工作电压都没有220V这么大，而且还都是直流电压。那么，2022/12/311:11由电源变压器T、整流二极管VD和负载电阻RL

组成。

1、单相半波整流电路如图所示：2022/12/311:11

1）当v2为正半周时，二极管VD加正向电压，处于导通状态，RL上产生正半周电压vO，如图（b）所示。

2）当v2为负半周时，二极管VD加反向电压，处于截止状态，RL上无电流流过，如图（c）所示。工作原理示意图如图所示。（1）工作原理2022/12/311:11各波形之间的对应关系如图所示：2022/12/311:11

半波整流：电路仅利用电源电压的半个波，故称半波整流。

脉动直流电：大小波动，方向不变的电流（或电压）称为脉动直流电。

半波整流后的输出信号为半波脉动直流电。半波整流电路的缺点是电源利用率低，且输出脉动大。2022/12/311:11（2）负载与整流二极管的电压和电流1）负载电压VO

2）负载电流IL

3）流过二极管的正向电流

IV4）二极管反向峰值电压VRVO=0.45V22022/12/311:11（3）正确选择二极管的参数：①最大整流电流：②最高反向工作电压：IVM≥IO≥

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2、单相全波整流电路如图所示：半波整流电路波形：比较2022/12/311:11负载与整流二极管的电压和电流：

（1）负载所获得的直流电压平均值：

VO=20.45V2=0.9V2

（2）负载平均电流：

（3）每只二极管承受的反向峰值电压

VR

（4）每只二极管通过的平均电流：2022/12/311:11

具有电阻负载的桥式整流电路如图所示：3、单相桥式整流电路2022/12/311:11

1）当v1为正半周时，如图（b）所示，VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，RL两端输出电压vO

。

2）当v1为负半周时，如图（b）所示，VD2和VD4导通，VD1和VD3截止，RL两端输出电压vO

。（1）工作原理2022/12/311:11

桥式整流电路波形如图所示：2022/12/311:11（2）负载与整流二极管的电压和电流

1）负载所获得的直流电压平均值：

VO=20.45V2=0.9V2

4）每只二极管承受的反向电压：

3）每只二极管通过的平均电流：

2）负载平均电流：2022/12/311:11做一做：

有一直流负载需要直流电压6V，直流电流0.4

A，若采用桥式整流电路，求电源变压器的二次电压，及流过二极管的平均电流和承受的反向电压。则

解

：因VL=0.9V2

流过二极管的平均电流

二极管承受的反向电压2022/12/311:11二、滤波电路在整流电路后加接滤波电路可使负载得到平滑的直流电压。常见的滤波电路有型LC滤波、型LC

滤波和型RC滤波，如图所示。2022/12/311:11

1．电容滤波电路

电路图如图所示：

（1）电容器在半波整流电路中的滤波作用单相半波整流滤波电路如何将直流电压变得更加平滑呢?它原理：2022/12/311:11电路图和波形如图所示：

（2）电容器在桥式整流电路中的滤波作用单相桥式整流滤波电路2022/12/311:111）空载（RL=∞）时：u2tuLtuc=uLu2＞uC时：二极管导通，C充电u2＜uC时：二极管截止，C放电。由于RL=∞，无放电回路，所以uC保持。2022/12/311:112）接入RL（且RLC较大）时u2tiDtu2＞uC时：二极管导通，C充电u2＜uC时：二极管截止，C放电。二极管中的电流uc=uL近似估算:

UL=1.2U22022/12/311:11电路结构:

在桥式整流电路与负载间串入一电感L。输出电压平均值:UL=0.9U2适用于负载电流较大的场合。对谐波分量:

f

越高，XL越大,电压大部分降在电感上。

因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上

2．电感滤波电路2022/12/311:11

图示采用

型RC滤波电路的桥式整流器。

3．RC滤波电路

电路中C1的作用和上面讲的滤波作用相同，R和C2起进一步平滑作用，C2越大，效果越好。只是电阻R上的直流压降使输出电压降低。2022/12/311:11

4．

型LC滤波电路图示为

型LC滤波电路。

图中L为电感量很大的铁心线圈，使加到RL上的交流成分减小，所以这种滤波器的平滑滤波作用比RC滤波器好。2022/12/311:11对任务三进行小结一整流电路1、单相半波整流电路2、单相全波整流电路3、单相桥式整流电路二滤波电路

1、单相半波整流电容滤波电路

2、单相桥式整流电容滤波电路

3、电感滤波电路电路结构各电路的作用计算uo=？2022/12/311:11做一做：1、如果变压器二次(即副边)电压的有效值为10V，桥式整流滤波后(带负载)的输出电压为

V。2、如右图所示，u2=20V，该电路正常工作时，若D1由于某种原因断路，则uL=＿＿＿＿V。2022/12/311:11半导体二极管及应用电路第一章小结

2．晶体二极管的核心是PN结，故具有单向导电性。二极管属于非线性器件，其伏安特性是