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1、半导体二极管及直流半导体二极管及直流稳压电源稳压电源 半导体二极管及直流稳压电源5.1 半导体的基础知识 5.2 半导体二极管5.3 晶体二极管电路的分析方法 5.4 晶体二极管的应用及直流稳压电源5.5 半导体器件型号命名及方法 5.1 半导体的基础知识根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分，可分为：导体、绝缘体和半导体。1.导体：容易导电的物体。如：铁、铜等2.绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等3.半导体：半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体特点：1)在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏
2、元件属于此类。2)在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此类。1.本征半导体纯净的晶体结构的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。电子技术中用的最多的是硅和锗。硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个称为价电子。其简化原子结构模型如下图：无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构5.1.1 本征半导体 本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如图所示：2.本征半导体的共价键结
3、构两个电子的共价键正离子芯由于随机热振动致使共价键由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对被打破而产生空穴电子对 这一现象称为这一现象称为本征激发，本征激发，也称也称热激发热激发。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡动态平衡由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴3.本征半导体中的两种载流子空穴的移动由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来
4、的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移电流。电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。空穴的移动自由电子自由电子空穴空穴空穴的运动实质上是价电空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。子填补空穴而形成的。空穴的运动空穴的运动磷（磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。施主
5、杂质施主杂质1.N型半导体5.1.2 杂质半导体所以，N型半导体中的导电粒子有两种：自由电子多数载流子（由两部分组成）空穴少数载流子N型半导体的结构示意图如图所示：自由电子施主正离子5.1.2 杂质半导体硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。受主杂质受主杂质2.P型半导体P型半导体的结构示意图如图所示：P型半导体中：型半导体中：空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是
6、少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴受主负离子2.P型半导体 本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质本节中的有关概念 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远子浓度远高于高于P区。区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。1.PN 结的形成5.1.3 PN结的形成及特性 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达
7、到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。因浓度差多子扩散形成空间电荷区促使少子漂移阻止多子扩散1.PN 结的形成PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。必要吗？必要吗？2.PN 结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压
8、，简称反偏。(1)PN结加正向电压时 低电阻 大的正向扩散电流2.PN 结的单向导电性PN结的伏安特性(2)PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。(1)扩散电容CD扩散电容示意图是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。正向电压时，载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。3.PN结的电容效应(2)势垒电容CT是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。空间电荷区的正负离
9、子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 U 而变化，因此势垒电容 CT不是一个常数。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。结电容 3.PN结的电容效应将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管5.2 半导体二极管二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电用于检波和变频等高频电路。路。1.半导体二极管的结构(a)点接触型点接触型 二极管的
10、结构示意图二极管的结构示意图（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号(2)面接触型二极管 PNPN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型1.半导体二极管的结构其中二极管的伏安特性IS 反向饱和电流反向饱和电流UT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（T=300K）2.二极管的伏安特性 伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10若正向电压 uUT,则若反向电压|u|UT，则iIS2.二极管的伏安特性
11、 锗二极管2AP15的伏安特性 2.二极管的伏安特性 硅二极管的死区电压Uth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Uth=0.1 V左右。当0uD Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。当uD0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当uD Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。开启电压2.二极管的伏安特性当uD0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当UBRuD0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当uDUBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。锗二极管2AP15的伏安特性 击穿电压 2.二极管的伏安特性
12、材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗Ge0.1V0.10.3V几十A 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。二极管的反向击穿(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压UR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为
13、反向击穿电压电压UBR。为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。的一半计算。二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。5.2.3 二极管的主要参数(3)反向电流IR 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。即IS(4)最高工作频率fM(5)极间电容CJ 5.2.3 二极管的主要参数将指数模型 分段线化，得到二极管特性的等效模
14、型。1.二极管的简化模型理想开关导通时uD0截止时IS0理想二极管(1)理想模型5.3.1 晶体二极管的模型5.3 晶体二极管电路的分析方法近似分析中最常用（2）恒压降模型导通时uUD(on)截止时IS05.3 晶体二极管电路的分析方法（3）折线模型导通时iD与uD成线性关系？应根据不同情况选择不同的等效电路！100V？5V？1V？5.3 晶体二极管电路的分析方法Q越高，越高，rd越小。越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用2.交流小信号等效模型2.交流小信号等效模型（室温下)即根据静态电流在
15、Q点上5.3.2 晶体二极管电路的分析方法1.数值解法联立求解 迭代法 2.图解分析法负载线二极管伏安关系 工作点5.3.2 晶体二极管电路的分析方法3.简化模型分析法对如图所示简单二极管电路，采用不同的简化模型，得到不同的电路（1）理想模型，用短路线代替导通的二极管（2）恒压降模型时，用恒压降模型等效电路代替二极管(a)理想模型电路（b）恒压降模型电路 简单二极管电路（3）折线模型，用折线模型等效电路代替二极管（c）折线模型电路 简单二极管电路 3.简化模型分析法讨论n判断二极管工作状态的方法？判断二极管工作状态的方法？n什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效
16、电路？3.简化模型分析法解：（1）理想模型）理想模型当uiUREF时，二极管截止，当uiUREF时，二极管导通，波形如图(b)所示【例5.3.1】电路如图5.3.8(a)所示R=1k,UREF=3V为直流参考电压源。当 ui=6sint(V)试分别用理想模型和恒压降模型分析该电路，画出相应的输出电压uo的波形。(a)限幅电路(b)理想模型时的波形解：（2）恒压降模型）恒压降模型波形如图5.3.8(d)所示 当uiUREF+UD(on)时，二极管截止，当uiUREF+UD(on)时，二极管导通，(c)恒压降模型(d)恒压降模型时的波形3.简化模型分析法41改变电压值通常为降压交流变脉动的直流减小
17、脉动 直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。半波整流全波整流在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动10，且负载有一定的变化范围。直流电源的组成及各部分的作用5.4 晶体二极管的应用及直流稳压电源稳定输出电压1)负载变化输出电压基本不变；2)电网电压变化输出电压基本不变。（1）工作原理u2的正半周，的正半周，D导通，导通，ADRLB，uO=u2。u2的负半周，的负半周，D截止，承受反向电压，为截止，承受反向电压，为u2；uO=0。1半波整流电路半波整流电路5.4.2.小功率整流滤波电路(2)UO（AV）和和 IO（AV）的估算的估算 已知变
18、压器副边电压有效值为已知变压器副边电压有效值为U25.4.2.小功率整流滤波电路 考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：(3)二极管的选择二极管的选择5.4.2.小功率整流滤波电路45u2的正半周 AD1RLD3B，uO=u2u2的负半周 B D2RLD4 A，uO=-u2四只管子如何接？集成的桥式整流电路称为整流堆。(1)工作原理工作原理若接反了呢？2、单相桥式整流电路(2)输出电压和电流平均值的估算输出电压和电流平均值的估算2、单相桥式整流电路 考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：与半波整流电路对二极管的要求相同(3)二极管的选择2、单相桥式整流电路483
19、.电容滤波电路(1)工作原理充电放电速度与正弦波下降速度相似按指数规律下降滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。当|u2|uC|时，有一对二极管导通，对电容充电，充电非常小当|u2|uC|时，所有二极管均截止，电容通过RL放电，放电放电=RLC。2、单相桥式整流电路考虑整流电路的内阻 C 越大，RL越大，越大，放电越慢，曲线越平滑，脉动越小。2、单相桥式整流电路(2)二极管的导通角导通角 无滤波电容时。有滤波电容时 ILmax ILmin（3）限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。若求得Rmin
20、Rmax，怎么办？若求得R=200300，则该取接近200还是接近300？为什么？5.稳压管稳压电路的设计【例5.4.1】硅稳压管电路如图所示。其中待稳定的直流电压UI=18V，R=1k，RL=2k，硅稳压管VDZ的稳定电压UZ=10V，动态电阻及未被击穿时的反向电流均可忽略。（1）试求UO、IO、IR和IZ的值。（2）试求RL值降低到多大时，电路的输出电压将不再稳定。解：解：（1）（2）当）当 5.4.3 稳压管稳压电路依次选择稳压管、UI、R、C、U2、二极管1.输出电压、负载电流稳压管2.输出电压UI3.输出电压、负载电流、稳压管电流、UI R4.UI、R 滤波电路的等效负载电阻C5.U
21、I U26.U2、R中电流整流二极管 已知输出电压为6V，负载电流为030mA。试求图示电路的参数。讨论：稳压管稳压电路的设计输出电压：输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V输出电流：输出电流：1.5A（W7800）、）、0.5A（W78M00）、）、0.1A（W78L00）1.固定输出的三端稳压器 W7800系列（1）简介5.4.4 三端集成稳压器使使Co不通过不通过稳压器放电稳压器放电抵销长线电感效应，抵销长线电感效应，消除自激振荡消除自激振荡 将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻。（2）基本应用消除高频噪声消除高频噪声负电压负电压负电压负电压 79 79
22、（3）具有正、负两路输出的稳压电路 IW为几mA，UO与三端稳压器参数有关。隔离作用隔离作用（4）输出电压扩展电路2.基准电压源三端可调式稳压器 W117 输出电压UREF1.25V，调整端电流只有几微安。（1）简介减小纹波电压减小纹波电压保护保护稳压器稳压器（2）基本应用1.R1的上限值为多少？2.UO可能的最大值为多少？3.输出电压最小值为多少？4.UOmax30V，选取R1、R2；5.已知电网电压波动10，输出电压最大值为30V，UI至少取多少伏？决定于决定于IOmin两种情况：两种情况：1.已知已知UI 2.自己选取自己选取UI决定于决定于W117的输出的输出输入电压最低、输出电压最高时，输入电压最低、输出电压最高时，UIminUOmax3V。根据输出电压表达式根据输出电压表达式讨论：W117的应用【例5.4.2】电路如图5.4.14所示，集成稳压器7824的2、3端电压U32=UREF=24V，求输出电压UO和输出电流IO的表达式，说明该电路具有何种作用。解：图5.4.14 例5.4.2电路图半导体器件的型号命名由5部分组成 2CP21A：普通N型硅材料二极管，序号21，规格号A5.5 半导体器件型号命名及方法