模拟与数字电子电路基础：第4章 半导体二极管及应用电路

1模拟与数字电子电路基础

24.1半导体基础知识4.2半导体二极管4.3单相整流滤波电路4.4稳压管及稳压电路4.5光电子器件第4章半导体二极管及应用电路

34.1半导体基础知识第4章半导体二极管及应用电路

导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。硅和锗都是制作二极管半导体材料。它们都是4价元素，即每个原子的最外层轨道上有4个价电子，每个价电子都与相邻原子的一个价电子形成共价键，为两个原子所共有，从而形成一种稳定的原子结构。4.1.1半导体导电特性44.1半导体基础知识本征半导体

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。SiSiSiSi价电子4.1.1半导体导电特性5

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。这一现象称为本征激发。空穴

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。4.1.1半导体导电特性64.1.1半导体导电特性

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动

电子电流

(2)价电子递补空穴

空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。74.1.1半导体导电特性N型半导体和P型半导体

掺杂后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，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。84.1.1半导体导电特性N型半导体和P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。94.1.2PN特性1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动载流子浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区104.1.2PN特性1PN结的形成PNε载流子浓度差多子的扩散出现空间电荷区产生了内电场促使少子漂移阻碍多子的扩散

当扩散与漂移达到动态平衡时，在交界面附近就形成了一个空间电荷区，即PN结。PN114.1.2PN特性2PN结的单向导电性PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–124.1.2PN特性2PN结的单向导电性PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+134.1.2PN特性2PN结的单向导电性PN结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正PN结变宽外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－144.1.2PN特性3PN结的击穿性反向电压增加到某个数值时，反向电流突然增加，这种现象称为击穿。击穿时所对应的电压称为反向击穿电压，用VBR表示。根据击穿的机理不同，击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿的机理：反向电压↑→内电地场↑→载流子的动能↑→将中性原子中的价电子撞出来→IR↑。齐纳击穿的机理：反向电压↑→内电地场↑→将中性原子中的价电子拉出来→IR↑154.1.2PN特性3PN结的击穿性

PN结的击穿并不意味着损坏。注意：如果超过就是热击穿，热击穿是不可逆的；如果没有超过就是电击穿，电击穿是可逆的。

PN结是否损坏决定于击穿后电流与电压的乘积是否超过PN结容许的耗散功率。164.2半导体二极管4.2.1二极管结构及伏安特性(a)点接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。1基本分类及结构金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a

)

点接触型174.2半导体二极管4.2.1二极管结构及伏安特性(b)面接触型

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。1基本分类及结构铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b

)面接触型184.2半导体二极管4.2.1二极管结构及伏安特性(c)平面型1基本分类及结构

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于大功率整流和开关电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型阴极阳极(

d

)

符号D194.2.1二极管结构及伏安特性2伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。204.2.1二极管结构及伏安特性2伏安特性根据半导体的物理原理，可得到PN结的伏安特性的表达式（二极管方程）：IS为反向饱和电流UT为温度的电压当量，在常温（300K）下，UT26mV。当U>0时，且U>>UT,则电流I与U基本成指数关系。当U<0时，且

U

>>UTUI214.2.2二极管电路应用举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。224.2.2二极管电路应用举例ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––234.3单相整流滤波电路第4章半导体二极管及应用电路

直流电源系统的组成

从交流电获得直流电相比从电池、蓄电池化学电源要廉价且方便。电网交流电源经变换、整流、滤波，稳压后组成的直流稳压电源。小功率直流稳压系统由电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路组成．244.3单相整流滤波电路4.3.1单相桥式整流电路1单相半波整流电路u2uLuD

t

2340+–在

的正半周，二极管D承受正压而导通。在的负半周，二极管D承受反压而截止。254.3单相整流滤波电路4.3.1单相桥式整流电路2单相全波整流电路+–+–+–+–u2uLuD1

t

2340uD2

正半周，D1导通，D2截止。

负半周，D2导通，D1截止。264.3单相整流滤波电路4.3.1单相桥式整流电路D1、D3导通,D2、D4截止.电流路径为：a→D1→RL→D3→b。abu2uL+–u2为正半周时:在负载电阻上正弦波的正半周。u2为负半周时:D1和D3截止，D2

和

D4导通。电流路径为：b→D2→RL→D4→a。在负载电阻上得到正弦波的负半周。uL+–274.3.1单相桥式整流电路

在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图如图所示。流过负载的平均流：因四个二极管两两轮流导通故流过二极管的平均电流ID=IL/2uLU2284.3.1单相桥式整流电路单相脉动电压的平均值用直流电压等效。二极管所承受的最大反向压为副边电压最大值：uLU2294.3.1单相桥式整流电路集成硅整流桥：u2uL+

–

~+~-

+–

输出电压高，纹波电压较小，晶体管所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。缺点：二极管用得较多。但市场上已有整流桥堆出售。桥式整流电路的优点：304.4.1稳压二极管第4章半导体二极管及应用电路

1.符号UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO314.4.1稳压二极管稳压电路UI为整流滤波后所得的直流电压。

为保证工作在反向击穿区，二极管VDZ反接。

电阻R用来在电网电压波动或负载电流变化时，调节R本身压降来保持输出电压基本不变。稳压过程如下:(电网电压波动时）UiUZUoUoURIRIZ324.5光电器件第4章半导体二极管及应用电路

符号光的颜色视发光材料的波长而定。如采用磷砷化镓，可发出红光或黄光；如采用磷化镓，可发出绿光。它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，1.5~3V，