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1、半导体二极管及整流电路第1页，共32页，编辑于2022年，星期五8.1.1 8.1.1 半导体的导电特征半导体的导电特征半导体半导体半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子载流子载流子 自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。共价键共价键共价键共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构Si2 8 4Ge2 8 18 4简化简化模型模型+4惯性核惯性核硅硅(锗锗
2、)的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动第2页，共32页，编辑于2022年，星期五本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：复复复复 合：合：合：合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成成对对消失的过程。消失的过程。漂漂漂漂 移：移：移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一价键的束缚成为自由电子
3、，并在共价键中留下一个空位个空位(空穴空穴)的过程。的过程。第3页，共32页，编辑于2022年，星期五两种载流子两种载流子电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动半导体的导电特征半导体的导电特征半导体的导电特征半导体的导电特征IIPINI=IP+IN+电子和空穴两种载电子和空穴两种载流子参与导电流子参与导电 在外电场的作在外电场的作用下，自由电子逆用下，自由电子逆着电场方向定向运着电场方向定向运动形成动形成电子电流电子电流IN。空穴顺着电场。空穴顺着电场方向移动，
4、形成方向移动，形成空穴电流空穴电流IP。第4页，共32页，编辑于2022年，星期五 结论结论:1.本征半导体中电子空穴成对出现本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少；且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界界条件有关条件有关。8.1.2 N8.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入弱。如果有控制、有选择地掺入微量微量微量微量的有
5、用的有用杂质杂质杂质杂质（某（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的电性能的杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体。第5页，共32页，编辑于2022年，星期五一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元在硅或锗的晶体中掺入五价元 素素磷磷磷磷。N 型型磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数+5+4+4+4+4+4正离子正离子多数载多数载流子流子少数载少数载流子流子N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示第6页，共32页，编辑于202
6、2年，星期五P 型型硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元在硅或锗的晶体中掺入三价元 素素硼硼硼硼。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示型半导体的简化图示多数载多数载流子流子少数载少数载流子流子负离子负离子第7页，共32页，编辑于2022年，星期五8.1.3 PN8.1.3 PN结的形成结的形成一、载流子的浓度差引起多子的扩散一、载流子的浓度差引起多子的扩散二、二、复合使交界面形成空间电荷区复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点空间电荷区特点空间电荷区特
7、点:无载流子、无载流子、阻止扩散进行、阻止扩散进行、利于少子的漂移。利于少子的漂移。三、三、扩散和漂移达到动态平衡扩散和漂移达到动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流 I=0。内电场内电场扩散运动：扩散运动：扩散运动：扩散运动：漂移运动：漂移运动：漂移运动：漂移运动：由浓度差引起的载流子运动。由浓度差引起的载流子运动。载流子在电场力作用下引起的运动。载流子在电场力作用下引起的运动。第8页，共32页，编辑于2022年，星期五一、加正向电压一、加正向电压(正向偏置正向偏置)导通导通P 区区N 区区内电场内电场+UR外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结
8、移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。I限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 I。I=I多子多子 I少子少子 I多子多子二、加反向电压二、加反向电压(反向偏置反向偏置)截止截止P 区区N 区区 +UR内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 II=I少子少子
9、 08.1.4 PN8.1.4 PN结的单向导电性结的单向导电性第9页，共32页，编辑于2022年，星期五8.3 二极管二极管8.3.1 二极管的结构二极管的结构8.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性8.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数8.3.4 二极管电路的分析二极管电路的分析第10页，共32页，编辑于2022年，星期五8.3.1 8.3.1 二极管的结构二极管的结构构成：构成：PN结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型点接触型点接触型正极正极引
10、线引线触丝触丝N型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金平面型平面型正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型pNP型支持衬底型支持衬底第11页，共32页，编辑于2022年，星期五第12页，共32页，编辑于2022年，星期五8.3.2 8.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth 反向特性反向特性U(
11、BR)反反向向击击穿穿U（BR)U 0 iD 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U（BR）反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)击穿击穿电压电压第13页，共32页，编辑于2022年，星期五反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。雪崩击穿：雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。使自由电子数突增。PN结未损坏，断电即恢复。结未损坏，断电即恢复。PN结烧毁。结烧毁。第14页，共32页，编辑于20
12、22年，星期五1.IOM 最大整流电流最大整流电流（最大正向平均电流）（最大正向平均电流）2.URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为U(BR)/2 3.IRM 最大反向电流最大反向电流（二极管加最大反向电压时的（二极管加最大反向电压时的 电流，电流，越小单向导电性越好越小单向导电性越好）8.3.3 8.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数8.3.4 8.3.4 二极管电路的分析二极管电路的分析一、理想二极管一、理想二极管特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD=0;反偏截止，反偏截止，iD=0第15页，共32页，编辑于2022年，星期五二、实际二极管
13、二、实际二极管uDiD例例 1 硅硅二二极极管管，R=2 k，求求出出 VDD=2 V 时时 IO 和和 UO 的的值。（忽略二极管正的向工作电压）值。（忽略二极管正的向工作电压）UOVDDIOR解：解：VDD=2 V IO=VDD/R=2/2 =1(mA)UO=VDD=2 VUOVDDIOR硅管硅管 0.6 V锗管锗管 0.2 V二极管正的二极管正的向工作电压向工作电压第16页，共32页，编辑于2022年，星期五例例 2 ui=2 sin t(V),分析二极管的限幅作用分析二极管的限幅作用（二极管的死区电压为（二极管的死区电压为0.5V，正向，正向工作电压工作电压0.6V）。）。D1D2ui
14、uOR 0.6 V ui 0.6VD1、D2 均截止均截止uO=uiuO=0.6 Vui 0.6 VD2 导通导通 D截止截止ui 0.6 VD1 导通导通 D2 截止截止uO=0.6VOtuO/V0.6Otui/V2 0.6解：解：第17页，共32页，编辑于2022年，星期五例例3 二二极极管管构构成成“门门”电电路路，设设 D1、D2 均均为为理理想想二二极极管管，当当输输入入电电压压 UA、UB 为为低低电电压压 0 V 和和高高电电压压 5 V 的的不同组合时，求输出电压不同组合时，求输出电压 UF 的值。的值。0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反
15、偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 VFR3 k 12 VD1D2BAUAUBUFR3 k 12 VVDDD1D2BAF输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBD1D20 V0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V第18页，共32页，编辑于2022年，星期五 8.4 8.4 单相整流电路单相整流电路第19页，共32页，编辑于2022年，星期五
16、滤波滤波整流整流稳压稳压变压变压交流交流电源电源负负载载OtuOtuOtuOtuOtu220 V单向脉动直单向脉动直流电压流电压合适的合适的交流电压交流电压滤波滤波稳压稳压半导体整流电源的组成框图半导体整流电源的组成框图半导体整流电源的组成框图半导体整流电源的组成框图第20页，共32页，编辑于2022年，星期五8.4.1 单相单相半波整流电半波整流电路路第21页，共32页，编辑于2022年，星期五 to 2 3 u2 to 2 3 uO to 2 3 iD=iO to 2 3 uDDRL220 V+uu2iD=iOuD+第22页，共32页，编辑于2022年，星期五变压器副变电压有效值变压器副边
17、电流有效值为整流电流平均值第23页，共32页，编辑于2022年，星期五例例8.1 已知负载电阻已知负载电阻RL=300,负载电压负载电压UO=24V。今采用。今采用单相半波整流电路，交流电源电压为单相半波整流电路，交流电源电压为220V。（。（1）根据）根据电路要求选择二极管。（电路要求选择二极管。（2）求整流变压器的变比和容量。）求整流变压器的变比和容量。解：解：负载电流：负载电流：每个二极管通过的平均电流每个二极管通过的平均电流变压器二次侧电压的有效值为变压器二次侧电压的有效值为 可选用可选用2CP12二极管，其二极管，其最大整流电流最大整流电流为为100mA，最，最高高反向工作峰值电压反
18、向工作峰值电压为为100V。二极管承受的最高反压：第24页，共32页，编辑于2022年，星期五 变压器的变比：变压器副边电流有效值 变压器的容量：单相半波整流电路使用元件少，输出电压脉动大，电压低，效率低。第25页，共32页，编辑于2022年，星期五8.4.2 单相单相桥式整流桥式整流电路电路第26页，共32页，编辑于2022年，星期五+uo RLio+u2 u1+uo ioRLD4D3D2D1u2u1D4D1D2D3+u2 RL+uo iou1D3D1D2D4+u2 RL+uo iou1一、桥式整流电路（几种画法）一、桥式整流电路（几种画法）第27页，共32页，编辑于2022年，星期五二、桥
19、式整流电路工作原理二、桥式整流电路工作原理RLioD4D3D2D1+u2+uo 承受反压承受反压截止截止+u1 u2正半周：正半周：D1和和D3导通，导通，D2和和D4截止。截止。第28页，共32页，编辑于2022年，星期五RLD4D3D2ioD1+u2+uo u2负半周：负半周：+u1 承受反压承受反压截止截止D2 和和 D4导通导通,D1和和 D3 截止。截止。第29页，共32页，编辑于2022年，星期五1.波形波形输入负半周输入负半周D3RLD4D2D1u1u2+uo+ioioRLD4D3D2D1+u2u1+uo 输入正半周输入正半周 to to to to 2 3 2 3 2 2 3 3 uOu2uDiD=iOD2、4D1、3第30页，共32页，编辑于2022年，星期五2.参数估算参数估算1)整流输出电压平均值整流输出电压平均值2)二极管平均电流二极管平均电流3)二极管最大反向压二极管最大反向压 to to to to 2 3 2 3 2 2 3 3 uOu2uDiD=iO第31页，共32页，编辑于2022年，星期五变压器副变电压有效值变压器副边电流有效值为整流电流平均值变压器变比原边电流有效值容量：第32页，共32页，编辑于2022年，星期五