第章半导体二极管与整流电路

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第1章半导体二极管与整流电路2主要内容半导体及其导电机理 载流子及其分类PN结及其单向导电性 正偏与反偏二极管及其伏安特性

二极管应用：整流、限幅、检波等特殊二极管：稳压二极管、光敏二极管、发光二极管

31.1半导体的基础知识导体conductor

：容易导电的物体，金属一般都是导体。绝缘体nonconductor

：不容易导电的物体

。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体semiconductor

：室温时电阻率约在10-5～107Ω·m之间。导电特性处于导体和绝缘体之间，并有负的电阻温度系数的物质，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。1911年考尼白格和维斯首次使用这一名词。不同于其它物质，所以它具有不同的特点。例如：热敏性和光敏性：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。例如：热敏电阻、光敏电阻。掺杂性：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。例如：纯硅掺杂百万分之一硼，电阻率从大约4×10-3Ω·m到2×103Ω·m半导体的导电机理4一、本征半导体的结构特点GeSi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。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。纯度

99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。

1.1.1本征半导体intrinsicsemiconductor硅和锗的晶体结构在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。5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和锗的共价键结构形成共价键后，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。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（价电子），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。6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（即载流子carrier），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于温度增加或受光照激发，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freeelectron

，同时共价键上留下一个空位，称为空穴hole。二、本征半导体的导电机理

1.载流子:自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子7+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的价电子来填补，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。2.本征半导体的导电机理本征半导体中电流由两部分组成：

1.电子电流：自由电子移动产生的电流。2.空穴电流：空穴移动（价电子递补空穴）产生的电流。本征半导体导电能力取决于载流子的浓度。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重要外部因素，这是半导体的一大特点。8在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。1.1.1杂质半导体extrinsicsemiconductor

一、N型半导体N-typesemiconductor：N指negative。在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。例如：27℃，纯硅约有自由电子或空穴1.5×1010个/cm3，掺杂为N型半导体后自由电子数增加几十万倍，空穴数减少为2.3×105个/cm3二、P型半导体P-typesemiconductor：P指positive。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子（价电子）来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。9+4+4+5+4多余电子磷原子一、N型半导体N-typesemiconductor空穴硼原子+4+4+3+4N型半导体中的载流子是什么？1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。多数载流子（多子）：自由电子少数载流子（少子）：空穴P型半导体中：多数载流子：空穴少数载流子：电子P型半导体中的载流子是什么？二、P型半导体P-typesemiconductor10－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多数载流子和少数载流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数载流子。近似认为多子与杂质浓度相等。杂质型半导体整体是不带电的。三、杂质半导体的符号11P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散运动使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区也称耗尽层。对扩散运动起阻挡作用也称阻挡层在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结PNjunction。1.1.2PN结及其单向导电性PN

结的形成12所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的宽度固定不变。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E13－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区注意:1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区中的电子（都是多数载流子）向对方运动（扩散运动）。3.P

区中的电子和N区中的空穴（都是少数载流子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。14正向偏置:PN结加正向电压(P+,N-)

，即:P区加正、N区加负电压。反向偏置:PN结加反向电压(P-,N+)

，即:P区加负、N区加正电压。PN结的单向导电性unilateralconductivityPN结的单向导电性：正偏导通，反偏截止正偏:正向偏置。导通:PN结正向电流(P→N)大，正向电阻(P→N)小。反偏:反向偏置。截止:PN结反向电流(N→P)小，反向电阻(N→P)大。内电场被削弱，加强多子扩散运动，形成较大的正向扩散电流。内电场外电场变薄内电场外电场变厚REPN+_－+－+内电场被加强，加强少子漂移运动，形成较小的反向漂移电流。正偏反偏REPN_+－+－+PN结的光生伏打效应：受到光照后能产生电动势。可制造光电池。

151.2.1基本结构：PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：1.2 半导体二极管diode实际二极管电流小，适用于高频和小功率工作，常用作数字电路中的开关元件电流大，适用于低频和大功率工作，常用来整流16死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR1.谈2.坦2伏安毛特性vo忽lt机-a获mp鞋er课e龄ch病ar罩ac冈te条ri灰st开ic理想葵伏安装特性正向迅导通壶时：热正向帆压降孤为零更，正东向电占阻为赢零，纲正向恭电流衡？反向穿截止音时：蓬反向装压降夹？反秃向电狠阻无盼穷大搞，反紫向电疮流为抗零。实际芦伏安些特性导通傅压降:硅管0V锹,锗管挖0VUIUBR导通兄压降:硅管0.茂6~膜0.殖7V话,锗管品0.穷2~0.路3VUIUBRUI结合阀伏安洲特性薄，如途何理美解“垃正偏阴导通敌，反盟偏截崭止”么？正向役特性反向菌特性伏安喉特性确上，莫普通锋二极酿管工师作范护围是怕哪段摆曲线停？171.最大范整流卷电流IOM：二极呢管长溪期使苍用时修，允减许流币过二补极管登的最萍大正功向平矛均电夫流。2.反向大击穿植电压UBR：二极增管反村向击地穿时常的电忙压值留。击谦穿时奋反向垂电流缘瑞剧增童，二似极管泊的单处向导错电性蠢被破哈坏，疗甚至写过热倚而烧芒坏。贩手册覆上给眠出的型最高肺反向啊工作芳电压URW闲M一般她是UBR的一锈半。隧道严击穿前（也鸭叫齐炮纳击木穿）击穿项电压凉小于6V，有丸负的贡温度抱系数罩；雪崩浪击穿，击荷穿电稻压大旨于6V，有栏正的歪温度长系数弦。1.莫2.剃3主要膝参数3.反向讲电流IR：指二至极管爹加反叨向峰熄值工休作电劳压时高的反亿向电拒流。砖反向斥电流蚂大，棒说明旦管子猾的单盖向导紫电性哥差，备因此挽反向钩电流稍越小赖越好趁。反浴向电蛾流受宣温度吉的影合响，李温度悼越高际反向盆电流坛越大烘。硅量管的挪反向狭电流抖较小佣，锗爬管的运反向课电流览要比顽硅管嚼大几佛十到乞几百省倍。反向挠饱和港电流办：本征窄激发伟决定碍的少遗子浓付度是萌一定电的，缓故少塌子形尼成的瓣漂移仿电流尺是恒屈定的绑，基析本上嘉与所药加反病向电孟压的狼大小蜡无关瞒，这扶个电远流也普称为反向烫饱和原电流估。以上生均是钥二极绿管的浓直流就参数符，二极奔管的日应用蒙是主作要利钥用它秋的单扛向导闻电性，主艰要应拔用于秒整流曾、限团幅、捞保护念等等然。下骗面介晓绍两蜡个交干流参季数。18RLuiuouiuott二极惰管应怨用举样例1：二极详管半娇波整巷流整流宾电路是把防交流置电压越转变抽为直相流脉向动的垫电压毁。常夹见的苍小功嘉率整缸流电该路，踩有单死相半喜波、景全波党、桥栽式整暑流等烟。二极宰管：死区凉电压=0勤.倚5V，正壁向压点降0.侮7V贷(硅二扒极管)。为分畜析简贵单起膝见，殖我们泛把二宁极管休当作抱理想挂元件蛛处理现，理想悲二极汇管，即二蛛极管亚的正饿向导妙通电锯阻为理零，牧反向遇电阻颠为无伯穷大贩。即刑，死吩区电深压=0，正鹅向压禾降=01.炊3半导升体二晶极管轿的简初单应誉用(Pa删ge偶7限)整流绑、限窃幅、星钳位酒、检扣波、酬保护喂电路糟、开乓关元饥件1.省4二极道管整宿流电急路re纤ct荷if余ie启r逝ci悲rc侦ui江t19电源乏变压酒器:将交漠流电骄网电桂压u1变为歌合适笑的交独流电涨压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整步流传电糕路滤涂波捞电蚕路稳肆压姑电身路整流债电路:将交范流电好压u2变为朽脉动硬的直雅流电机压u3。滤波软电路:将脉错动直构流电散压u3转变为怠平滑稀的直访流电黄压u4。稳压电桌路:清除钞电网守波动械及负拦载变波化的地影响,保持笛输出朴电压u0的稳窃定。直流鞋稳压夜电源睡的组番成和盼功能RL20u2>0时，伙二极冲管导情通。u0=u2，i0=u0/RLu2uo1.浑4.煎1单相趴半波扮整流档电路浇的工蛛作原垂理u2<0时，沈二极阿管截师止。u0=0，i0=0uou1u2aTbDRLu0i0输出里电压问平均眨值（U0）：二极块管上宾的平苏均电雁流：ID=I0二极装管上筐承受净的最禁高电鞠压：21u2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流匙通路:由+经D1RLD3-u2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流蹦通路:由-经D2RLD4+输出稀是脉昏动的基直流矮电压沫！u2桥式装整流眉电路仗输出辰波形治及二迫极管拍上电狗压波叙形uD4,uD2uD3,uD1uoRLu2D4D2D1D3u0+-ABCD1.莲4.编2单相盘桥式先整流亩电路胜的工叼作原位理22负载庆电压U0的平间均值:负载懂上的(平均)电流:整流烈二极山管平丽均电号流ID：二极恳管截冰止时涝两端渣承受鹿的最芳大反或向电混压：每个趁二极封管只翼有半赖周导吹通。固流过瓣每只剂整流亚二极替管的沉平均起电流ID是负逐载平爆均电境流的那一半唯。u2uD4,uD2uD3,uD1uoio23i0平均出值I0:U0=0澡.9罗U2输出灵电压舍波形姜：二极标管上骗承受钱的最剥高电光压:二极神管上坚的平佩均电佩流:uou1u2aTbD1RLu0D2u2i0u0平均聪值U0:1.智4.粒3单相波全波沈整流未电路婚的工尸作原宝理只给伍出分啊析结圣果，故请自畜行分母析。24+AC-~+~-~+-~几种象常见螺的硅毙整流奸桥254.有电隐容滤魄波的竞整流丘电路滤波售原理:交流砌电压爬经整存流电缠路整互流后榆输出升的是脉动烦直流，其蠢中既马有直资流成歌分又踩有交嫩流成坝份。铜滤波旁电路天利用爸储能殿元件电容两端概的电马压(或通杜过电感中的包电流)不能蜓突变旋的特轰性,将电容与负拨载RL并联(或将电感与负君载RL串联)，滤尘掉整毫流电扫路输盖出电铅压中鹿的交戒流成盏份，赚保留缓其直型流成赛份，荣达到获平滑始输出饶电压镇波形碌的目撞的。1.糕4.贴4滤波佳器fi曾lt坐er滤波暴器的腰作用砖：改善后整流每电路占输出洽电压绑的脉庄动程甚度，驰使脉动析直流变得偶较为硬平滑扭。26u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL接入贱（且RLC较大膛）时u2tu0t0m段，u2上升事，u2劈燕>u号c，D1师D3导通丹，电系容充味电，u0纺=u绍2；mn段，u2正弦铺规律商下降查，uc也下牙降，屡过了n点后掠，u2浮<u雀c，D1培D3截止给，电遵容通留过RL放电婆，u0定=u汉c；n1段，D1殖D3截止拥，电牌容通絮过RL放电碑，u0槽=u径c；1k段，储进入呼负半跪周，D1陵D3截止船；-u到2<蠢uc，D2西D4也截印止。池电容列继续畏通过RL放电透，u0届=u晒c；过了k点后，-u列2>宝uc，D2掌D4导通犯，电巾容充灾电，u0干=-衔u2；往后船重复挑以上蜻过程……mn012km'27一般取(T:电源电压的周期)近似薯估算:U0=1葱.2秀U2。(2汁)流过验二极扰管瞬嚼时电恩流很茂大RLC越大U0越高,负载栽电流扮的平院均值凯越大整流驶管导过电时蝴间越贼短iD的峰鲜值电畜流越局大故一牲般选尚管时反，取电容要滤波幼电路帖的特涌点(1惭)输出孕电压U0与时夺间常盈数RLC有关RLC愈大电容彻器放吹电愈帖慢U0(平均英值)愈大江，28输出驳波形播随负询载电仇阻RL或C的变冬化而悔改变,U0和S也随慰之改烧变。如:RL愈小(I0越大),输U0下降合多,S增大澡。电容倒滤波敢电路蜻适用涂于输鬼出电些压较创高,负载挪电流果较小抵且负衫载变步动不约大的构场合秒。(3计)、输关出特版性(外特道性):uL电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL结论29（1）滤柳波原邻理:对直否流分尚量(f=0孤):尸XL=0相当砖于短温路,电压腿大部予分降颂在RL上。唐对谐茄波分维量:f越高,XL越大,电压雨大部仍分降认在XL上。因此,在输菠出端讨得到帖比较树平滑镇的直做流电翼压。U0=0吨.9域U2当忽织略电它感线州圈的计直流喂电阻浴时，铜输出饲平均杯电压您约为沟：u2u1RLLu06.有电遥感滤辜波的嘱整流个电路30（2）电闻感滤族波的阳特点:整流抢管导局电角纯较大,峰值智电流咬很小,输出夹特性傻比较葱平坦,适用虎于低顿电压昏大电宜流(RL较小)的场守合。忍缺点室是电需感铁津芯笨赞重,体积哀大,易引援起电请磁干本扰。u2u1RLLu031为了柄改善滥滤波肌特性颂，可剃采取钥多级汁滤波折的办退法,如在厅电容伶滤波吐后再利接一睬级RC滤波蜡电路脱，或验在电盟感滤末波后您面再倦接一盯电容宋。从恼而构缺成RC均-型或L-朱C型滤局波电幻玉路，灭其性换能及仁应用公场合我分别贪与电述容滤蹲波和炕电感领滤波捏相似迹。u0Ru2u1C1C2u0´RL7.丈RC恭-滤波32UIIZIZmaxUZIZ曲线炊越陡葡，稳盲压性妻能越朋好。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。1.辫5稳压柏二极饿管ze撑ne世r沃di倡od誉e工作培于反解向击药穿区证，起满稳定膝电压担的作悄用伏安斑特性鸟上，尾稳压仁二极靠管工海作范尘围是吨哪段储曲线源？利用羡稳压傅二极柄管或懒普通角二极匠管的碑正向飞压降俱，是泰否也压可以细稳压盈？33（4）稳定研电流IZ、最大惨、最汉小稳苏定电童流Izm店ax、Izm烤in。（5）最缸大允晕许功余耗稳压崇二极横管的竿参数（1）稳定录电压UZ（2）电压讽温度袭系数U（%/委℃）稳压运值受撑温度暑变化普影响卫的的屡系数诸。（3）动反态电燃阻工作啄于反似向击钩穿区往，起垮稳定趟电压添的作掠用。漠稳压叨值有饥一定含的分非散性34稳压识二极灿管的罪应用厨举例uoiZDZRiLiuiRL稳压蒙管的辱技术爱参数:解：令输退入电日压达臭到上物限时河，流截过稳公压管聪的电易流为Izma伞x求：电阻R和输佳入电敞压ui的正幅常值挨。—方程1负载哭电阻RL=2筑kΩ。要未求当输跟入电梨压由殃正常柄值发鼻生20案%波动破时，尽负载啊电压旺基本芦不变陷。令输凤入电醒压降范到下点限时选，流品过稳效压管浴的电傅流为Izmi渣n—方程2联立过方程1、2，可骆解得行：35反向武电流剪随光坏照强凡度的扬增加滋而上谜升。IV照度增加1.卧6光敏侮二极伏管1.拍7发光晚二极虽管ph耍ot守os粪en届si悠ti扭ve慰d骗io晓deLE藏D:桐l怪igh隐t-雪em扎it估ti必ng羊d滴io搜de有正江向电贼流流握过时律，发菊出一建定波掩长范连围的乐光，聚目前柜的发拆光管铁可以谣发出蹈从红挠外到董可见妻波段稍的光爹，它艳的电鼻特性级与一只般二娃极管排类似会。开关务二极赴管、……光电俭二极由管可忽用于滩光的洽测量库，可域当做沃一种朗能源(光电遭池)。半导窜体照员明：半势导体祝中载璃流子饭发生物复合趣时放浅出过荡剩的移能量重而引图起光射子发俩射。节能80书%；寿命亩长10倍虹，6万到10万小翼时讲；25戏6×值25陷6×渴25梢6种颜撇色；环保昨，光谱锻中没迫有紫器外线杰和红摊外线多，既额没有计热量狮，也欲没有们辐射朋，眩耽光小爆，而醉且废围弃物逢可回居收膜；数字座信息临化产搂品，在舟线编拜程，执无限墓升级案，灵鸡活多亭变的胆特点爸。预计20改10年中鸣国整革个LE区D产业刷的产鸡值将律超过15植00亿元夜。LE得D电视365直流塘稳压辉电源u1u2u1abD4D2D1D3u0CRLiZDZ直流迁稳压单电源嗓的作害用：苗输出称稳定最的直歉流电忽压。稳压哨管稳扶压电点路集成鸦稳压苦电源单片婶集成民稳压惹电源辛，具姨有体爆积小,可靠箱性高,使用闪灵活,价格竟低廉哗等优破点。