半导体器件基础及稳压电路

1、“学生阶段所学的东西在以后的工作、学习中或许很多学生阶段所学的东西在以后的工作、学习中或许很多没有直接应用到，但我们在整个系统学习过程中培养没有直接应用到，但我们在整个系统学习过程中培养了自己的了自己的学习能力学习能力、良好的、良好的学习习惯学习习惯、思维方式思维方式。课前分享课前分享我的观点：我的观点：教育的结果是你认为已遗忘所学，但却最后留下的东西，教育的结果是你认为已遗忘所学，但却最后留下的东西，体现在你的一举手一投足、一言一行之中。体现在你的一举手一投足、一言一行之中。陈丽华陈丽华第 1 章本章学习基本要求：本章学习基本要求：1 1、熟悉熟悉半导体的基础知识半导体的基础知识（本征半导体

2、；（本征半导体；P P型半导体，型半导体， N N型半导体，载流子）型半导体，载流子）2 2、理解理解PNPN结的结构与形成；结的结构与形成；PNPN结的特性（结的特性（单向导电性单向导电性）3 3、掌握常用的几种半导体器件：掌握常用的几种半导体器件：二极管、双极型三极管二极管、双极型三极管、场效应管的、场效应管的结构、特性、参数及基本应用结构、特性、参数及基本应用，了解几种，了解几种特殊类型的二极管特殊类型的二极管4 4、了解了解直流稳压电源直流稳压电源2 半导体器件基础及稳压电路半导体器件基础及稳压电路1.1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 二极管二极管1.4 双极型三极管双极

3、型三极管1.3 特殊二极管特殊二极管1.1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性本章学习主要内容：本章学习主要内容：2 半导体器件基础及稳压电路半导体器件基础及稳压电路1.5 场效应管场效应管1.6 直流稳压电源直流稳压电源 .1.1 半导体材料半导体材料 .1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 .1.3 本征半导体本征半导体、空穴及其导电作用、空穴及其导电作用 .1.4 杂质半导体杂质半导体1.1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 .1.1 半导体材料半导体材料根据物体导电能力的不同，分根据物体导电能力的不同，分导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。典型的半导体除典型的半导体除

4、硅硅SiSi和和锗锗GeGe外，还有外，还有砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。导体导体铁、铝、铜等金属元素等铁、铝、铜等金属元素等低价低价元素，其最外层电子在外元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体半导体硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导

5、体与绝缘体之间。最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 .1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构由于由于热激发热激发，具有足够能量，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为而成为自由电子自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为留有一个空位置，称为空穴空穴共价键共价键 自由电子与空穴相碰同时消失，称为自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合复合。空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填依次填充充空穴来实

6、现的。空穴来实现的。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，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。的浓度加大。动态平衡动态平衡 .1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体本征半导体本征半导体是本征半导体是纯净纯净的的晶体晶体结构的半导体。结构的半导体。 （自然界中的半导体不是纯净的）（自然界中的半导体不是纯净的）由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对1 1、什么是本征半导体、

7、什么是本征半导体自由电子自由电子-空穴空穴对对由由热激发热激发而产生的自由电子和空穴成对而产生的自由电子和空穴成对出现。出现。所以，本征半导体中自由电子、所以，本征半导体中自由电子、空穴浓度相等。空穴浓度相等。两种载流子两种载流子 当外加电场时，当外加电场时，带负电带负电的的自由电子自由电子和和带正电的带正电的空穴空穴均参与导电，且运动均参与导电，且运动方向相反，两者共同形成电流。方向相反，两者共同形成电流。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？2、本征半导体中的两种载流子-自由电子、空穴运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载流子载流子。 当温度升高，热运动加剧，载流子当温度升高，热运动

8、加剧，载流子浓度增大，导电性增强。浓度增大，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。所以半导体器件性能要受温度的影响所以半导体器件性能要受温度的影响本征半导体由于晶体结构稳定，载流子数目很少，本征半导体由于晶体结构稳定，载流子数目很少，故导电性很差故导电性很差。 .1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是主要是三价三价或或五价五价元素。掺入杂质的本征半导体元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。 N N

9、型半导体型半导体掺入掺入五价五价杂质元素（如磷）的杂质元素（如磷）的半导体。半导体。即自由电子为多数载流子的半导体。即自由电子为多数载流子的半导体。 P P型半导体型半导体掺入掺入三价三价杂质元素（如硼）的杂质元素（如硼）的半导体。半导体。即空穴为多数载流子的半导体。即空穴为多数载流子的半导体。 1. N1. N型半导体型半导体 .1.4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子多余的一个价电子因无因无共价键束缚而很容易共价键束缚而很容易形形成自

10、由电子成自由电子。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。5磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。导电性可控。多数载流子多数载流子 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由掺杂形它主要由掺杂形成；成；空穴是少数载流子，空穴是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 2. P2. P型半导体型半

11、导体 .1.4 杂质半导体杂质半导体 因因三价三价杂质原子杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，键时，缺少一个价电缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。3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，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目

12、变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？ 在在P 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，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。变；相同；少子浓度变化大，半导体特性受温度影响取决于少子变；相同；少子浓度变化大，半导体特性受温度影响取决于少子 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 .1.4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，例如响，例如: : T=30

13、0 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31掺杂后，半导体导电能力加强掺杂后，半导体导电能力加强 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子自由电子（- -）、）、空穴空穴（+ +） N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子多数载流子 ( (简称多子简称多子) )、少数载流子、少数载流子( (简称少子简称少子) ) 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质1.1.2 PN结的形

14、成及特性结的形成及特性 .1.2.2 PN结的形成结的形成.1.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性.1.2.4* PN结的反向击穿结的反向击穿.1.2.5* PN结的电容效应结的电容效应 .1.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 .1.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散载流子的载流子的漂移运动漂移运动： 由由电场作用（电位差）电场作用（电位差）引起引起的载流子的运动称为载的载流子的运动称为载流子的流子的漂移运动漂移运动。方向：低浓度往方向：低浓度往高浓度高浓度载流子的载流子的扩散运动扩散运动： 由由载流子浓度差载流子浓度差引起的载流子的运动称为载流子的引起的载流子的运

15、动称为载流子的扩散运动扩散运动。（气体、固体、液体存在）。（气体、固体、液体存在） 方向：高浓度往方向：高浓度往低浓度低浓度 .1.2.2 PN结的形成结的形成在一块在一块本征半导体本征半导体两侧通过两侧通过扩散扩散不同的杂质不同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。多子？少子？多子？少子？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高子浓度远高于于P区。区。扩散运动的结果：扩散运动的结果：P区和区和N区交界面的区交界面的自由电子与空穴的复合自由电子与空穴的复合，使靠近接触面使靠近接触面P区的空穴浓度降低区的空穴浓度降低、

16、靠近接触面、靠近接触面N区的自由电子区的自由电子浓度降低浓度降低，产生，产生内电场内电场。 .1.2.2 PN结的形成结的形成PN 结的形成漂移运动：少子参与漂移运动：少子参与扩散运动：多子参与扩散运动：多子参与 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态达到动态平衡，平衡，形成的形成的空间电荷区空间电荷区即即形成了形成了PN结结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场方向从的进行。内电场方向从N区指向区指向

17、P区，使区，使空穴从空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动区运动（即内电即内电场促进漂移场促进漂移）。）。 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半导体和导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成空间电荷区形成内电场内电场（增强（增强) 内电场内电场促使促使少子漂移少子漂移 内电场内电场阻止阻止多子扩散多子扩散 最后最后, ,多子的多子的扩散扩散和少子

18、的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的多子的扩散运动扩散运动 由由离子形成空间电荷区离子形成空间电荷区( (变宽变宽) ) 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离子薄层形型半导体结合面，离子薄层形成的成的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。 .1.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压

19、，简称，简称反偏反偏。 当当PNPN结加正向电压时，结加正向电压时，促促进进扩散运动，又与内电场扩散运动，又与内电场相反，空间电荷区变窄，相反，空间电荷区变窄，抑制抑制漂移运动漂移运动 (1) PN(1) PN结加正向电压时结加正向电压时处于导通状态，对外呈现：处于导通状态，对外呈现： 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 .1.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (2) PN(2) PN结加反向电压时结加反向电压时处于截止状态，对外呈现处于截止状态，对外呈现： 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决定的

20、少子浓度是一定的，故少子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，所加反向电压的大小无关，这个电流这个电流也称为也称为反向饱和电流反向饱和电流。 当当PNPN结加反向电压时，阻止扩散运动，外电场与内电场方向结加反向电压时，阻止扩散运动，外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽，促进漂移运动相同，空间电荷区变宽，促进漂移运动 PNPN结加结加正向电压正向电压时，呈现时，呈现低低电阻，具有电阻，具有较大较大的正向扩散电流；的正向扩散电流； PNPN结加结加反向电压反向电压时，呈现时，呈现高高电阻，具有电阻，具有很小很小的反

21、向漂移电流。的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。 .1.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (3) PN(3) PN结结V V- -I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性)1e (/SDD TVIivI IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K）V026. 0 qkTVTmV 26 .1.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿当当PNPN结的反向电压增加到一定数结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，值

22、时，反向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 ( (稳压管稳压管) )齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 .1.2.5 PN结的电容效应结的电容效应(1) (1) 扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图 当当PN结处于正向偏置时，扩结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过散运动使多数载流子穿过PN结，在结，在对方区域对方区域PN结附近有高于正常情况结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于取决于PN结上所加正向电压值的大结上所加正向电压值的大小。离结越

23、远，由于空穴与电子的小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。复合，浓度将随之减小。 若外加正向电压有一增量若外加正向电压有一增量 V，则相应的空穴（电子）扩散运动在则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量结的附近产生一电荷增量 Q，二者，二者之比之比 Q/ V为扩散电容为扩散电容CD。PN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 .1.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (

24、2) (2) 势垒电容势垒电容C CB BPN结外加电压变化结外加电压变化时，空间电荷区的宽时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电度将发生变化，有电荷的积累和释放的过荷的积累和释放的过程，与电容的充放电程，与电容的充放电相同，其等效电容称相同，其等效电容称为势垒电容为势垒电容Cb。dbjCCC结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！所以，有使用最高频率的限制。失去单向导电性！所以，有使用最高频率的限制。问题: 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本

25、征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？响温度稳定性的主要因素？ PN结单向导电性及其伏安特性，结单向导电性及其伏安特性，3个重要参数（正向导通个重要参数（正向导通电压、反向饱和电流、击穿电压）电压、反向饱和电流、击穿电压） 为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？1.2 二极管二极管 1.2.1 二极管的结构二极管的结构 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 1.2.3 二极管的主要

26、参数二极管的主要参数 1.2.4 二极管的应用二极管的应用将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管结封装，引出两个电极，就构成了二极管; 符号符号 ：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1.2.1 二极管的结构二极管的结构PN二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大类。两大类。(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图PNPN结面积小，结面积小，结电容小结电容小，故故结结允许的电流小允许的电流小，最高工作，最高工作频率频率高高。用于检波和变

27、频等用于检波和变频等高频电路。高频电路。结电容、允许电流与最结电容、允许电流与最高工作频率间的关系？高工作频率间的关系？1cxj C电容小，容抗大；相同容抗时小电容频率可较大（a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号 (2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管PNPN结面积大，结面积大，结电容大结电容大，故故结结允许的电流大允许的电流大，最高工作，最高工作频率频率低低。用于工频大电流整用于工频大电流整流电路。流电路。(b)(b)面接触型面接触型材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电反向饱和电流流硅硅Si0.5V0.50.8V常

28、取0.71A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V常取0.2几十A)(ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压TST(e1) (26mV)DvVDiI常温下V温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。可如图测试可如图测试 1.2.2 二极管的二极管的V-I 特性特性 1.2.2 二极管的二极管的V-I 特性特性二极管的二极管的V-I 特性曲线可用下式表示特性曲线可用下式表示)1e (/SDD TVIiv锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10

29、的的V V- -I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(1) (1) 额定电流额定电流I IF F：(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压V VBRBR：最大瞬时值：最大瞬时值反向饱和电流反向饱和电流I IR R：(3) (3) 额定电压额定电压（不被击穿时反向重复施加的最大（不被击穿时反向重复施加的最大峰值电压，为反向击穿电压的一半峰值电压，为反向击穿电压的一半 ）正向导通电压正向导通电压(4) (4) 最高工作频率（向恢复时间最高工作频率（向恢复时间T TRRRR：）最大正向电流最大正向电流反映单向导电性强弱

30、反映单向导电性强弱反向击穿时，反向电反向击穿时，反向电流急剧增大，失去单流急剧增大，失去单向导电性时的电压向导电性时的电压.2.4.2 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 .2.4.1 二极管电路的简化模型二极管电路的简化模型 1.2.4 二极管的应用二极管的应用 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，常用的分析方法：杂，常用的分析方法：等效模型分析法等效模型分析法。 .2.4.1 二极管电路的简化模型二极管电路的简化模型 .2.4.1 二极管电路

31、的简化模型二极管电路的简化模型1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的管特性的等效等效模型。模型。)1e (DSD TVIiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V- -I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型 .2.4.1 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 （2）恒压

32、降模型）恒压降模型（3）折线模型）折线模型Uon小结：将伏安特性折线化的二极管等效模型理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！？100V？5V？1V？2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vO的波形的波形.2.4.2 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（

33、2 2）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用二极管为硅二极管。分别用理想模型理想模型和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（3 3）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解：先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳极的电位为阳极的电位为- -6V，接阴极的电位为接阴极的电位为- -12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高

34、于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点点的电位就是的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为- -6V。练习练习P27 1.3用用理想模型理想模型求。方法：求。方法：先断开二极管先断开二极管D，再比较，再比较D阳极、阴阳极、阴极电位，判断导通情况极电位，判断导通情况 判断二极管的导通否，先断开二极管，再分析判断二极管的导通否，先断开二极管，再分析 若有两只以上二极管，则承受正向电压最大的优先导若有两只以上二极管，则承受正向电压最大的优先导通通,然后再行判断其他二极管是否导通然后再行判断其他二极管是否导通

35、 例：由理想二极管组成的电路如图，试确定各电例：由理想二极管组成的电路如图，试确定各电路的输出电压路的输出电压R6k-18VUoVD1VD2VD3-6V0V-6VR6k+18VUoVD1VD2VD3+6V0V-6VVD2导通，导通，UO= 0VVD2导通，导通，UO= -6V1.3 特殊二极管特殊二极管 1.3.1 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) ) 1.3.2 肖特基二极管肖特基二极管 1.3.3 光电光电二极管二极管 1.3.4 发光发光二极管二极管1. 符号及稳压特性符号及稳压特性 由一个由一个PNPN结组成，利用二极管反向击穿后在一定的电流结组成，利用二极管反向击穿后

36、在一定的电流范围内端电压基本不变的特性实现稳压。稳压二极管稳压时范围内端电压基本不变的特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿工作在反向电击穿状态。状态。 1.3.1 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) )进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流2. 2. 主要参数主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而因功耗过大而损坏，因而稳压管电

37、路中必需稳压管电路中必需有限制稳压管电有限制稳压管电流的流的限流电阻限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？3. 稳压电路稳压电路 例例P9 1.3正常稳压时正常稳压时 VO =VZ 1.3.1 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) )（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性 1.3.2 肖特基二极管肖特基二极管（a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 1.3.3 光电二极管光电二极管 符号符号光电传输系统光电传输系统 1.3.4 发光二极管发光二极管1.4 双极型三极管（简称双极型三极管（简称BJT）1. 4.1 BJT的结构简介的结构简介1.4

38、. 2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理1.4. 3 BJT的的V-I 特性曲线特性曲线1.4. 4 BJT的的主要参数主要参数1.4. 5* 温度对温度对BJT参数及特性的影参数及特性的影响响晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？1.4. 1 BJT的结构简介的结构简介晶体管的结构、类型和符号 半导体三极管的结半导体三极管的结构示意图如图所示。构示意图如图所示。它有两种类型它有两种类型:NPN型型和和PNP型。型。1.4. 1 BJT的结构简介的结构简介(b) PNP型管结构示

39、意图型管结构示意图(d) PNP管的电路符号管的电路符号(c) NPN管的电路符号管的电路符号(a) NPN型管结构示意图型管结构示意图多子浓度高多子浓度高多子浓度很多子浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大 三极管的放大的三极管的放大的外部外部条件：条件： 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏思考：两个二极管背靠背能否构成一个三极管？思考：两个二极管背靠背能否构成一个三极管？1.4. 2 放大状态放大状态下下BJT的工作原理的工作原理1. BJT放大的内部条件、外部条件放大的内部条件、外部条件三极管放大的三极管放大的内部内部条件：条件： 发射区多子浓度高，发射区多子浓度高， 基区很薄，

40、且多子浓度很低基区很薄，且多子浓度很低 集电区面积大集电区面积大1.4. 2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理2. 内部载流子的传输过程与内部载流子的传输过程与电流分配电流分配P12实验数据表示实验数据表示发射区：发射载流子发射区：发射载流子集电区：收集载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子 （以（以NPNNPN为例）为例） 由于三极管内有两种载流子由于三极管内有两种载流子( (自自由电子和空穴由电子和空穴) )参与导电，故称为双参与导电，故称为双极型三极管或极型三极管或BJTBJT ( (Bipolar Junction Transistor) )

41、。 IC= ICN+ ICBOIE=IEN+ IEP放大状态下放大状态下BJTBJT中载流子的传输过程中载流子的传输过程 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电，复合运动形成基极电流流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。因发射区多子浓度高因发射区多子浓度高使大量电子从发射区使大量电子从发射区扩散到基区扩散到基区IE因基区薄且多子浓度低，使极少数扩因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合散到基区的电子与空穴复合IB因集电区面积大，在外电场作用因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移下大部分扩散到基区的电子漂移到集

42、电区到集电区IC基区空穴的基区空穴的扩散扩散少数载流子的运动少数载流子的运动IE=IB+ IC电流分配关系电流分配关系 传输到集电极的电流设发射极注入电流NCEII根据传输过程可知根据传输过程可知 IC= INC+ ICBO通常通常 IC ICBOCE II则定义 为电流放大系数。它只为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般有关，与外加电压无关。一般 = 0.9 0.99 。IE=IB+ IC放大状态下放大状态下BJTBJT中载流子的传输过程中载流子的传输过程CEiiCBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透电流穿透电流集电结反向电流

43、集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数 是另一个电流放大系数。同样，它也只与管是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般一般 1 。3. 三极管的三种组态三极管的三种组态(c) 共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示。表示。(b) 共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；(a) 共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用，基极作为公共电极，用CB表示；表示；BJT的三种组态的三种

44、组态 综上所述，三极管的放大作用，主要是依综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。达集电极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄区杂质浓度，且基区很薄, 集电区面积大。集电区面积大。 （2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结发射结正向偏置，集电结反向偏置。反向偏置。1.4. 3 BJT的的V-I 特性曲线特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const. (2) 当当

45、vCE1V时，时， vCB= vCE - - vBE0，集电结已进入反偏状态，开集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。 (1) 当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1. 输入特性曲线输入特性曲线（以（以共射极放大电路共射极放大电路为例）为例）共射极连接共射极连接CE)(BEBUufi 为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？ 对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代U

46、CE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲线增大到一定值曲线右移就不明显了？右移就不明显了？输入特性2. 输出特性B)(CECIufi 是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。 为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大？为什么进入放大状态化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区BiCi常量CEBCUii

47、饱和区饱和区：iC明显受明显受vCE控制的区控制的区域，该区域内，一般域，该区域内，一般vCE0.7V (硅管硅管)。此时，。此时，发射结正发射结正偏，集电结正偏偏，集电结正偏。iC=f(vCE) iB=const.2. 2. 输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域: :截止区截止区：iC接近零的区域，相接近零的区域，相当当iB=0的曲线的下方。此时，的曲线的下方。此时，发射结反正偏，集电结反偏发射结反正偏，集电结反偏。放大区放大区：iC平行于平行于vCE轴的区域，轴的区域，曲线基本平行等距。此时，曲线基本平行等距。此时，发发射结正偏，集电结反偏射结正偏，集电结反

48、偏。1.4. 3 BJT的的V-I 特性曲线特性曲线VB=VC临界饱和（放大）区临界饱和（放大）区练习：例：测得电路中三极管3个电极的电位如图所示。问哪些管子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和状态？发射结反正偏，集电结反偏，发射结反正偏，集电结反偏，管子工作于截止状态。发射结反正偏，集电结反偏，发射结反正偏，集电结反偏，管子工作于放大状态。理想三极管： 晶体管工作在放大状态时，输出回路的晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流电流 iC仅仅决定仅仅决定于输入回路的电流于输入回路的电流 iB，即可，即可将输出回路等效为电流将输出回路等效为电流 iB 控制控制的电流源的电流源iC 。（无穿透电流，（

49、无穿透电流， 处处相等）处处相等） (1) 共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const.1. 电流放大系数电流放大系数 1.4. 4 BJT的主要参数的主要参数与与iC的关系曲线的关系曲线 (2) 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = iC/ iB vCE=const.1. 电流放大系数电流放大系数 (3) 共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE (4) 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = iC/ iE vCB=const. 当当ICBO和和ICEO很小时，

50、很小时， 、 ，可以不，可以不加区分。加区分。1.4. 4 BJT的主要参数的主要参数 2. 极间反向电流极间反向电流 (1) 集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开发射极开路时，集电结的反向饱和电流。路时，集电结的反向饱和电流。 1.4. 4 BJT的主要参数的主要参数 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO (1) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM(2) 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM PCM= ICVCE 3. 极限参数极限参数1.4. 4 BJT的主要参数的主要参数 3. 极限参数极限参数1.4

51、. 4 BJT的主要参数的主要参数(3) 反向击穿电压反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结发射极开路时的集电结反反 向击穿电压。向击穿电压。 V(BR) EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。 V(BR)CEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO1.4. 5 温度对温度对BJT参数及特性的影响参数及特性的影响(1) 温度对温度对ICBO的影响的影响温度每升高温度每升高10，ICBO约增加一倍。约增加一倍。

52、(2) 温度对温度对 的影响的影响温度每升高温度每升高1， 值约增大值约增大0.5%1%。 (3) 温度对反向击穿电压温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响的影响温度升高时，温度升高时，V(BR)CBO和和V(BR)CEO都会有所提高。都会有所提高。 1. 温度对温度对BJT参数的影响参数的影响2 2、温度对晶体管特性的影响、温度对晶体管特性的影响BEBBBECEO )(uiiuIT不变时，即不变时2 滤波器滤波器3 直流稳压电源直流稳压电源1 整流电路整流电路直流稳压电源直流稳压电源功能：功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u

53、4uou3u2u1整流电路整流电路 将交流电压转变为脉动的直流电压。将交流电压转变为脉动的直流电压。 半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。等。 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性t uDO u 负半周，负半周，VaVb，二极，二极管管 1、3 导通，导通，2、4 截止截止 。uouD t tuD1uD3 ut U2U2U2 4. 参数计算参数计算LLRURUI9 . 0oo o21DII UU2DRM ) d( sin21ttU U0.9 oU

54、(1) 输出直流电压高；输出直流电压高； (2) 脉动较小；脉动较小； (3) 电源变压器得到充分利用。电源变压器得到充分利用。 目前，半导体器件厂已将整流二极目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。性，使用起来非常方便。单相桥式整流电路，已知交流电网电压为单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220V，负载电阻负载电阻 RL = 50 ，负载电压，负载电压Uo=100V，试求变压器，试求变压

55、器的变比和容量，并选择二极管。的变比和容量，并选择二极管。V 1119 . 01009 . 0o UU A122121oD IIV 17212222DRM UU A250110Loo RUI 考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出副边电压一般应高出 5%10%，即取，即取 U = 1.1 111 122 V例例2：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，负载电阻，负载电阻 RL = 50 ，负载电压，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。试求变压器的变比和容量，

56、并选择二极管。81122220 .K 变比变比 I = 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A S = U I = 122 2.2 = 207. 8 V A变压器副边电压变压器副边电压 U 122 V A1D IV 172DRM U 可选用二极管可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为反向工作峰值电压为300V。uo+_u+_RLD2D4 D1D3当当D2或或D4断开后断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和和D3导导通，负载中有电流通，负载中有电流过，负载电压过，负载电压uo o= =u；负半周时

57、，；负半周时，D1和和D3截止，负载中无电流通截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，过，负载两端无电压， uo o =0=0。 uo u 2 34tt234oo 则正半周时，二极管则正半周时，二极管D1、D4或或D2、D3导通，电流导通，电流经经D1、D4或或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因而造成电源短路，电流很大，因此变压器及此变压器及D1、D4或或D2、D3将被烧坏。将被烧坏。 则正半周时，情况与则正半周时，情况与D2或或D4接反类似，电源及接反类似，电源及D1或或D3也将因电流过大而烧坏。也将因电流过大而烧坏。uo+_u+_RLD2D4 D1 D3 交流电压经整流电路整流后输出的

58、是脉动直流，交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。其中既有直流成份又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电滤波电路利用储能元件电容两端的电压压(或通过电感中的电流或通过电感中的电流)不能突变的特性不能突变的特性, 滤掉整流滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。到平滑输出电压波形的目的。 方法：方法：将电容与负载将电容与负载RL并联并联( (或将电感与负载或将电感与负载RL串串联联) )。 u uC时，二极管导通，时，二极管导通，电源在给负载电源在给负载RL供电的供电的同时

59、也给电容充电，同时也给电容充电， uC 增加，增加，uo= uC 。 CC+Cici +aDuoubRLio= uC UU22DRM uoU2U2u tO tO25)(3LTCR 一般取一般取(1) (1) 输出电压的脉动程度与平均值输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间与放电时间 常数常数RLC有关。有关。 近似估算取：近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 桥式、全波）桥式、全波） Uo = 1. 0 U （半波）半波）U2 为了得到比较平直的输出电压为了得到比较平直的输出电压例：例： 有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率率 f=50Hz，

60、负载电阻，负载电阻 RL = 200 ，要求直流输出电，要求直流输出电压压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。，选择整流二极管及滤波电容器。V 352522DRM UU A075020030212121LOOD.RUII uRLuo+C解：解：25V1.230 21O .UU可选用二极管可选用二极管2CP11IOM =100mA URWM =50V 例：例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率率 f=50Hz，负载电阻，负载电阻 RL = 200 ，要求直流输出电压，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。，选择整流二极管及