第1章 半导体二极管及基本电路课件

1第1章半导体二极管及基本电路基本要求理解PN结的单向导电性，理解二极管、稳压管的工作原理，掌握二极管、稳压管电路的分析方法。基本内容基础知识半导体二极管二极管基本电路及分析方法稳压二极管及电路分析方法21.1半导体二极管导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。1.1.1半导体的基础知识3物质的导电性能取决于原子结构。导体一般为低价元素，绝缘体一般为高价元素；使用最多的硅、锗半导体的原子结构最外层都有四个价电子，具有以下特点：

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改变。4一.本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。5本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子硅晶体中的共价键结构6共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+47在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为载流子8+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子9+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。10温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。11二.杂质半导体杂质半导体——在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素），而形成的半导体。杂质半导体N型半导体P型半导体12在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素（如磷元素），如图所示，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。1.N型半导体+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？13在硅（或锗）的晶体中掺入少量的三价元素（如硼元素），当组成共价键时，由于缺少一个电子而形成空穴，如图所示。2.P型半导体+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。143、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质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。近似认为多子与杂质浓度相等。15⒈半导体中存在着两种载流子---自由电子和空穴。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。⒉在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的导电能力和参加导电的主要载流子的类型。⒊环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用这一特性制造的。半导体的特点：

16P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散（多子）漂移（少子）内电场对扩散运动起阻碍作用，扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场对漂移运动起推动作用，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。1.1.2.PN结的单向导电性1.PN结的形成内电场E17注意：1）空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移动，不参与导电。因区域内的载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。2）内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区--PN结又称为阻挡层或耗尽层。随E扩散运动漂移运动达到动态平衡E

不变化形成稳定的PN结182.PN结的单向导电性1）PN

结加正向电压－－－－++++RE内电场外电场变薄PN+内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。192）PN

结加反向电压－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE20结论：1)PN

结具有单向导电性。2)加正向电压，PN

结导通，正向电流较大，结电阻很低。3)加反向电压，PN结截止，反向电流很小，结电阻很高。213）PN

击穿当加在PN结的反向电压超过某一数值（UBR）时，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只要PN结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。4）PN结的电容效应加在PN结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的变化，说明PN结具电容效应。PN结的结电容的数值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考虑PN结的结电容作用。221.1.3半导体二极管的结构点接触式和面接触式二极管的结构D阴极阳极二极管符号231

1.1.4伏安特性（V—A特性)硅二极管的伏安特性二极管的伏安特性将二极管分为三种状态——截止、导通和击穿。正向电压:死区、导通区（非线性区和线性区）反向电压：截止区、反向击穿24

硅二极管的伏安特性锗二极管的伏安特性251）正向特性：

OA段：当UF

＜Uon

（死区电压）时外电场不足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流IF

很小(IF≈0)，D处于截止状态。硅(Si)：Uon≈0.5V;锗(Ge):Uon≈0.1V。

AB段：当UF

＞Uon后，

Ed↓→扩散运动↑→

IF↑→D导通。

D导通时的正向压降，硅管约为(0.6~0.7)V，锗管约为(0.2~0.3)V。分析：262）反向特性OC段：当UR

＜UBR

（击穿电压）时，

CD段：当UR

＞UBR

后，PN结被击穿，IR随△UD失去单向导电性。扩散漂移EdIR

很小D截止。一般情况下，锗管反向电流IR＞硅管IR反向电流。271.1.5半导体二极管主要参数1最大整流电流IFM

二极管长时间可靠工作时，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URM

保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。URM=（击穿电压）/23最大反向电流IRM

当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的反向电流。IRM越小，单向导电性越好。28

二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器件，分析电路时常采用模型分析法。

理想模型恒压模型

补充：

二极管基本电路及分析方法二极管的分类及常用二极管

小结1、半导体定义、材料、分类2、N型半导体、P型半导体各以何种载流子导电为主？3、什么是PN结？PN结具有什么性质？4、二极管的符号是什么？伏安特性？5、P241-630311.2整流与滤波电路uiuott目的：将交流电转为直流电整流：将大小和方向都随时间变化的工频交流电变换成单方向的脉动直流电的过程整流器：包括变压器、整流电路和滤波电路1.2.1单相半波整流电路单相半波整流电路1.电路工作原理1.2整流与滤波电路

2.负载上输出的平均电压和平均电流的计算（1）负载上输出的平均电压Uo（2）流过负载上的平均电流ID

（3)二极管不导通时承受的最高反向电压323.整流二极管的选择选管时应满足：

IOM

ID

，URWMUDRM

1.2.2单相桥式整流电路u1u2TVD4VD2VD1VD3RLuo1、电路组成（由四个二极管组成桥路）RLVD1VD4VD2VD3u2uou2uo其它画法：1.2整流与滤波电路+–u1u2TVD4VD2VD1VD3RLuo（1）u2正半周时电流通路VD1

、VD3导通，VD2、VD4截止1.电路工作过程1.2整流与滤波电路-+u0u1u2TVD4VD2VD1VD3RL(2)

u2负半周时电流通路VD2、VD4

导通，VD1

、VD3截止1.2整流与滤波电路u2>0时VD1,VD3导通VD2,VD4截止电流通路:aV

D1RLVD3bu2<0时VD2,VD4导通VD1,VD3截止电流通路:bVD2RLVD4a3、单相桥式整流电路输出波形u2VD4VD2VD1VD3RLuoab整流输出电压平均值：

Uo=0.9U2负载电流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL

二极管平均电流：ID=Io/2二极管最大反向电压：DRM22UU=u2uD2,uD3uD1,uD4uo1.2整流与滤波电路371.2整流与滤波电路381.2整流与滤波电路1.2.3滤波电路交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。39一

电容滤波器

(一)半波整流电容滤波电路

1.电路结构2.工作原理

u>uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC

增加，uo=uC

。

u<uC时，二极管截止，电容通过负载RL

放电，uC按指数规律下降，uo=uC

。+Cici–++–aDuoU２bRLio=uC

3.工作波形二极管承受的最高反向电压为。uoutOtO1.2.3滤波电路

Uo

=1.0U２

411.2.3滤波电路一电容滤波器

(二)单相桥式整流电容滤波电路

1.电路结构2.近似估算取：

U

o

=1.2U２

(

桥式、全波）

3.负载开路,则:U

o

=

4.滤波电容的数值选取(T—电源电压的周期)二电感电容滤波器1.电路结构L

uRLuo++––~+C2.滤波原理

对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f

越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。

当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。

LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。三形滤波器形LC滤波器

滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。

比形LC滤波器的体积小、成本低。Lu２RLuo++–~+C2+C1形RC滤波器Ru２RLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。441.3.1稳压二极管（DZ)稳压二极管的工作机理是利用PN结的击穿特性。

1.V—A特性、符号、状态DZDZ1.3.1特殊二极管45分析：1）稳压管的正向特性与二极管相同。2）稳压管的反向特性OA段：当0＜U＜UZ

（反向击穿电压，数值较小）时，IZ很小，稳压管截止；AB段：当U≥UZ

时，稳压管反向击穿，I

Z

很大，虽△I

Z变化范围很大，但DZ

稳压管两端的电压△UZ

变化很小；体现了稳压特性。由此得知：1）稳压管的V—A特性为非线性，且反向特性很陡；2）稳压管有导通、截止、击穿三个状态，常工作于反向击