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1、武汉工程大学武汉工程大学 电工教研室电工教研室 第第6 6章章 半导体二极管与直流稳压电源半导体二极管与直流稳压电源返回返回半导体导电方式半导体导电方式 在半导体中，在半导体中，同时存在着电子同时存在着电子导电和空穴导电，导电和空穴导电，这是半导体导电这是半导体导电方式的最大特点，方式的最大特点，也是半导体和金也是半导体和金属在导电原理上属在导电原理上的本质差别。的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈因为，温度愈高，载流子数目愈高，载流子数目愈多，导电性能也就多，导电性能也就愈好，所以，温度愈好，所以，温度对半导体器件性能对半导体器件性能的影响很大。的影响很大。6.
2、1.1 6.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi自由电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，自加上外电压时，自由电子作定向运动由电子作定向运动形成电子电流；而形成电子电流；而空穴的运动相当于空穴的运动相当于正电荷的运动正电荷的运动6.1.2 6.1.2 杂质半导体杂质半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或掺入微量的磷（或其它五价元素）。其它五价元素）。 自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是载流子，空穴是少数载流子。少数载流子。 电子型半导体电子型半导体或或N N型半导体型半导体SiSiP+Si多余电子6.1.2 6.1.2 杂质半导体杂质
3、半导体P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入硼（或其它掺入硼（或其它三价元素）。三价元素）。 空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，自由电子是少数载自由电子是少数载流子。流子。 空穴型半导体空穴型半导体或或P P型半导体。型半导体。SiSiB-Si空穴6.1.2 6.1.2 杂质半导体杂质半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的。的。 6.1.2 PN6.1.2 PN结结1. PN1. PN结的形成结的形成自由电子PN空穴PN结是由扩散运动形成的
4、结是由扩散运动形成的,扩散运动和漂移运动达到动态平衡。扩散运动和漂移运动达到动态平衡。自由电子PN 空间电荷区内电场方向空穴2. PN结的单向导电性结的单向导电性1 外加正向电压使PN结导通PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流基本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄PN内电场 方向外电场方向RI2. PN结的单向导电性2 外加反向电压使PN结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流特点特点: : 受温度影响大受温度影响大原因原因: : 反向
5、电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的+ - 变 宽PN内电场 方向外电场方向RI=02. PN结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。反向电流很小。6.2 6.2 半导体二极管半导体二极管6.3.1 基本结构基本结构6.2.2 伏安特性伏安特性6.2.3 伏安特性的折线化伏安特性的折线化6.2.4 二极管的主要参数
6、二极管的主要参数6.2.1 基本结构PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号阳极 阴极6.2.2 6.2.2 伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 半导体二极半导体二极管的伏安特性管的伏安特性是非线性的。是非线性的。正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压 死区电压：死区电压： 硅管：硅管：0.5伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.1伏左右。伏左右。 正向压降：正向压降
7、： 硅管：硅管：0.7伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。伏。6.2.2 6.2.2 伏安特性伏安特性1 正向特性正向特性反向电流：反向电流：反向饱和电流：反向饱和电流：反向击穿电压反向击穿电压U（BR）6.2.2 6.2.2 伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压2 反向特性反向特性6.2.4 6.2.4 主要参数主要参数1 最大整流电流最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM
8、: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3 反向峰值电流反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。6.3 6.3 二极管应用电路二极管应用电路 主要利用二极管的单向导电性。可用主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。数字电路中作为开关元件。6.3 6.3 二极管应用电路二极管应用电路1、 二极管限幅与嵌位电路。二极管限幅与嵌位电路。已知输入波形画出输出波形。已知输入波形画出输出波形。D1D2E2RE1uo
9、ABui在ui的正半周，当uiE1时，D1处于正向偏置而导通，使输出电压uo保持在等于E1值。在ui的负半周，当-E2uiE1时，D1、D2都处于反向偏置而截止，uo=ui。当ui E时，二极管导通，uo= E=5V; 当ui =E时，二极管截止，uo =ui=10sint; 对（b）图，当ui=E时，二极管截止，uo =ui=10sint; 2、 二极管门电路。二极管门电路。图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻电阻R接负电源接负电源-12V。解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通导通后，后， DB
10、上加的是反向电上加的是反向电压，因而截止。压，因而截止。-12VAB+3V0VDBDAYRVY=+2.7VDA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。 首先假设这些二极管都处于截止状态，然后依次判断各个二极管的阳极和阴极之间的电压，哪个二极管阳极和阴极的电压高，哪个二极管就优先导通；之后根据该二极管导通之后的状态来判断其他二极管是导通还是截止状态。思考题思考题例1：试判断下图所示电路中，当Ui3V时哪些二极管导通？当 Ui0V时哪些二极管导通？设二极管正向压降为0.7V。 解：当Ui3V时，UB=0.7V,UA=2.1V所以D1截止，D2-D4导通。当Ui0V时，D1导通，D2-
11、D4截止。D1D2D3D4R15VR2ABUi例2：试判断下图所示电路中，D1和D2的状态。设二极管正向压降为0.7V。解：解：U UD1oD1o=15V U=15V UONON D D1 1导通导通 U UD20D20=-12-=-12-（-15-15）=3V U=3V UON ON D D2 2导通导通U UD10D10 U UD20D20 D D1 1优先导通优先导通 U UD20D20=-12-U=-12-UA A=-12-(-0.7=-12-(-0.7）=-11.3V U=-11.3V UONON D D2 2截止截止故故 D D1 1导通导通D D2 2截止截止 t u2 0 2
12、3 4 t 0 2 3 4 uo + u2 + u1 D (a) 电路 (b) 波形 + uo RL tu20234t0234uo+u2+u1D(a) 电路 (b) 波形+uoRL当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io= id。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u2 ，输出电压uo的波形与u2相同。当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压u2全部加在二极管D上。tu20234t0234uo+u2+u1D(a) 电路 (b) 波形+uoRL单相
13、半波整流电压的平均值为：0222o45. 02)(sin221UUttdUU流过负载电阻 RL的电流平均值为：L2Loo45. 0RURUI流经二极管的电流平均值与负载电流平均值相等，即：L2oD45. 0RUII二极管截止时承受的最高反向电压为 u2的最大值，即：22MRM2UUU+u1+u2D4D3D1D2RL+uo(a) 原理电路ab+u1+u2RL+uo(b) 简化画法u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：aD1RLD3b，如图中实线箭头所示。+u1+u2D4D3D1D2RL+uoabu2为负半周时，b
14、点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：bD2RLD4a，如图中虚线箭头所示。tu20234tiD10234tiD20234tuo0234单相全波整流电压的平均值为：0222o9 . 022)(sin21UUttdUU流过负载电阻 RL的电流平均值为：L2Loo9 . 0RURUI流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：L2oD45. 021RUII每个二极管在截止时承受的最高反向电压为 u2的最大值，即：22MRM2UUU 例：例：试设计一台输出电压为 24V，输出电流为 lA 的直流电源，电路形式可采用半波整流或全波整
15、流，试确定两种电路形式的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。解：解：（1）当采用半波整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：3 .5345. 0240.45o2UUV整流二极管承受的最高反向电压为：2 .753 .5341. 122RMUUV流过整流二极管的平均电流为：1oD IIA因此可选用 2CZ12B整流二极管，其最大整流电流为 3 A，最高反向工作电压为 200V。（2）当采用桥式整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：7 .269 . 0240.9o2UUV整流二极管承受的最高反向电压为：6 .377 .2641. 122RMUUV流过整流二极管的平均电流为：5 .
16、021oDIIA因此可选用四只 2CZ11A 整流二极管，其最大整流电流为 1 A，最高反向工作电压为 100V。6.4 6.4 稳压管稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 1 1 稳压管表示符号稳压管表示符号： 正向+-反向+-IZUZ2 2 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：3 稳压管稳压原理：稳压管稳压原理： 稳压管工作于反向稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的
17、变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿 是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 6.4 6.4 稳压管稳压管4 主要参数主要参数（2）电压温度系数）电压温度系数 U（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数说明稳压管受温度变化影响的系数6.4 6.4 稳压管稳压管（3）动态电阻）动态电阻（4 4）稳定电流）稳定电流（5 5）最大允许耗散功率）最大允许
18、耗散功率 rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM6.4 6.4 稳压管稳压管+_UU0UZR稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用当当UUZ大于时大于时,稳压管击穿稳压管击穿RUUIZZ此时此时选选R，使，使IZUON二极管是导通二极管是导通UDUAO=-6V 练练 习习6VA12VOV1V2二、判断二极管是导通或截止二、判断二极管是导通或截止二极管的二极管的正向电压正向电压UD是否大于导通电压是否大于导通电压UONUD2UD1-12V0V = -1
19、2V UONUD1=-12V-6V= -6VUONUD2=二极管二极管D1截止截止二极管二极管D2截止截止1810V215V14010255三、三、 试判断图题试判断图题中二极管导通还中二极管导通还是截止，为什么是截止，为什么? A)(1151401010VUA BC)(5 .2155255VUC )(1101822VUBC BCCBUUU )(5 .315 .2V 二极管的二极管的正向电压正向电压UD是否大于导通电压是否大于导通电压UON设设UON =0.3(V) 二极管截止二极管截止四、选择判断题四、选择判断题1 1、判断下列说法是否正确，用、判断下列说法是否正确，用“”和和“”表示表示判
20、断结果填入空内。判断结果填入空内。（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负 电。（ ）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。 （ ）（4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。（ ） 2 2、选择正确答案填入空内。选择正确答案填入空内。 （1）PN结加正向电压时，空间电荷区将结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄变窄 B. 基本不变基本不变 C. 变宽变宽（2）稳压管的稳压区是其工作在稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通正向导通 B.反向截止反向截止 C.反向击穿反向击穿
21、（3）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏前者正偏、后者也正偏AB C （4）工作在放大区的某三极管，如果当）工作在放大区的某三极管，如果当IB从从12A增大增大到到22A时，时，IC从从1mA变为变为2mA，那么它的，那么它的约约为为 。 A. 83 B. 91 C. 100C （5）普）普 通通 双双 极极 型型 晶晶 体体 管管 是是 由由 。 (A)一一 个个PN 结结 组组 成成 (B)二二 个个P
22、N 结结 组组 成成 (C) 三三 个个PN 结结 组组 成成（6）测测 得得 电电 路路 中中 工工 作作 在在 放放 大大 区区 的的 某某 晶晶 体体 管管 三三 个个 极极 的的 电电 位位 分分 别别 为为 0V、 0.7V 和和 4.7V， 则则 该该 管管 为为 。(A) NPN 型型 锗锗 管管 (B) PNP 型型 锗锗 管管 (C) NPN 型型 硅硅 管管 (D) PNP 型型 硅硅 管管（7）已已 知知 放放 大大 电电 路路 中中 某某 晶晶 体体 管管 三三 个个 极极 的的 电电 位位 分分 别别 为为VE = 1.7V，VB= 1.4V ，VC = 5V， 则则
23、 该该 管管 类类 型型 为为 。 (A) NPN 型型 锗锗 管管 (B) PNP 型型 锗锗 管管 (C) NPN 型型 硅硅 管管 (D) PNP 型型 硅硅 管管B A D （8）晶）晶 体体 管管 的的 主主 要要 特特 点点 是是 具具 有有 。 (A) 单单 向向 导导 电电 性性 (B) 电电 流流 放放 大大 作作 用用 (C) 稳稳 压压 作作 用用（9）晶晶 体体 管管 处处 于于 截截 止止 状状 态态 时，时， 集集 电电 结结 和和 发发 射射 结结 的的 偏偏 置置 情情 况况 为为 。(A) 发发 射射 结结 反反 偏，集偏，集 电电 结结 正正 偏偏(B) 发
24、发 射射 结、集结、集 电电 结结 均均 反反 偏偏 (C)发发 射射 结、集结、集 电电 结结 均均 正正 偏偏 (D)发发 射射 结结 正正 偏，集偏，集 电电 结结 反反 偏偏（10）已已 知知 某某 晶晶 体体 管管 处处 于于 放放 大大 状状 态，态， 测测 得得 其其 三三 个个 极极 的的 电电 位位 分分 别别 为为 6V、9V 和和 6.3V， 则则 6V所所 对对 应应 的的 电电 极极 为为 。 (A) 发发 射射 极极 (B) 集集 电电 极极 (C) 基基 极极B A B （11）所）所 谓谓 晶晶 体体 管管 输输 出出 特特 性性 曲曲 线线 中中 的的 线线
25、性性 区区 域域 是是 指指 。 (A) 放放 大大 区区 (B)饱饱 和和 区区 (C)截截 止止 区区（12） 如如 果果 接接 在在 电电 路路 中中 某某 晶晶 体体 管管 的的 基基 极极 与与 发发 射射 极极 短短 路，路， 则则 。(A)管管 子子 深深 度度 饱饱 和和 (B)管管 子子 截截 止止 (C)管管 子子 工工 作作 在在 放放 大大 状状 态态（13）图图 中中 已已 标标 出出 各各 硅硅 晶晶 体体 管管 电电 极极 的的 电电 位，位， 判判 断断 处处 于于 截截 止止 状状 态态 的的 晶晶 体体 管管 是是 。 A D B 1V3V3V0V0.5V0
26、.7V10V4 V9.7V5.3V6V2.3V(a)(b)(c)(d)（6）测）测 得得 某某 一一 PNP 硅硅 管管 三三 个个 极极 的的 电电 位位 是：是：VB = 3.2V，VE = 2.5V，VC = 7V， 则则 该该 管管 工工 作作 在在 。 (A)线线 性性 放放 大大 状状 态态 (B) 饱饱 和和 工工 作作 状状 态态(C) 截截 止止 工工 作作 状状 态态 （15）电电 路路 如如 图图 所所 示，示， 晶晶 体体 管管 处处 于于 。(A)线线 性性 放放 大大 状状 态态 (B) 饱饱 和和 工工 作作 状状 态态(C) 截截 止止 工工 作作 状状 态态
27、A B T12VRERC五、写出下图所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。 解：解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V，UO62V。六、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。求图所示电路中UO1和UO2各为多少伏。 解：解：UO16V，UO25V。 七、（1） 能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？ 解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。时，管子会因电流过大而烧坏。（2）现有两只稳压
28、管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问： （a）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？ （b）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？解：（解：（a）两只稳压管串联时可得）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和和6V等四种稳压值。等四种稳压值。 （b）两只稳压管并联时可得）两只稳压管并联时可得0.7V和和6V等两种稳压值等两种稳压值。八、 电路如图所示，其输入电压uI1和uI2的波形如图（b）所示，二极管导通电压UD0.7V。试画出输出电压uO的波形，并标出幅值。 九、已知图所示电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小稳定电流IZmin5m
29、A，最大稳定电流IZmax25mA。（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；（2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？解：解：（1）当）当UI10V时，若时，若UOUZ6V，则稳压管的电流为，则稳压管的电流为4mA，小于其最，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。故小稳定电流，所以稳压管未击穿。故 V33.3ILLOURRRU当当UI15V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流时，稳压管中的电流大于最小稳定电流IZmin，所以，所以 UOUZ6V 同理，当同理，当UI35V时，时，UOUZ6V。 （2）29mAIZM25mA，稳压管将因功耗过大而损坏，稳
30、压管将因功耗过大而损坏.十、 电路如图（a）（b）所示，稳压管的稳定电压UZ3V，R的取值合适，uI的波形如图（c）所示。试分别画出uO1和uO2的波形。 十一、测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。 晶体管三个极分别为上、中、下管脚，答案如下表所示。晶体管三个极分别为上、中、下管脚，答案如下表所示。管号T1T2T3T4T5T6上ecebcb中bbbeee下ceccbc管型PNPNPNNPNPNPPNPNPN材料SiSiSiGeGeGe十二、分别判断下图所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。解：解：（a）可能 （b）可能 （c）不能 （d）不能，T的发射结会因电流过大而损坏。 （e）可能十三、电 路 如 图 所 示 ， 设 二 极 管，为 理 想 元 件， 试 计 算 电 路 中 电 流I1、I2的 值。 解：解：由D1导 通 ， D2截 止 得 I2 0， I1 (12+3)/3 mA5 mAI2I112V3V3kD1D2+-+-结 束第第 6 6 章章70 结束语结束语