半导体二极管及直流稳压电源

关于半导体二极管及直流稳压电源§1.1半导体的导电特性

半导体——它的导电能力介于导体和绝缘体之间。如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等都是半导体。

半导体的导电特性主要表现在其导电能力在不同条件下具有很大的差别：

（1）有的半导体对温度的反映特别灵敏。环境温度增高时，其导电能力要增强很多。

（2）有的半导体对光照的反映特别灵敏，当受到光照时，其导电能力要增强很多；当不受到光照时，又变得象绝缘体那样不导电。

（3）如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质，其导电能力要增强很多。

半导体的导电特性，在不同条件下具有很大的差别，是由其内部结构的特殊性所决定的。第2页,共64页，2024年2月25日，星期天1本征半导体

目前最常用的半导体材料是硅和锗，它们的原子最外层都有四个价电子，都是四价元素。将硅和锗提纯（取掉无用杂质）并形成单晶体，即本征半导体。GeSi第3页,共64页，2024年2月25日，星期天SiSiSiSi

共价键

在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子相结合。结合方法是，每一个原子的一个价电子与相邻的另外一个原子的一个价电子组成一个电子对，称为共价键。由于共价键的形成，每一个原子的最外层实际上相当于有8个价电子，在通常情况下，这8个价电子处于相对稳定的状态，但在获得一定能量后（温度升高或受光照）即可挣脱原子核的束缚而成为自由电子。第4页,共64页，2024年2月25日，星期天SiSiSiSi

共价键

在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。第5页,共64页，2024年2月25日，星期天SiSiSiSi

共价键

在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。第6页,共64页，2024年2月25日，星期天SiSiSiSi

共价键

在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。第7页,共64页，2024年2月25日，星期天SiSiSiSi

共价键

在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。第8页,共64页，2024年2月25日，星期天

（1）半导体中存在自由电子和空穴两种载流子。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断复合。在一定条件下（温度下）载流子的产生和复合达到动态平衡，于是载流子便维持一定数目。温度越高或受光照越强，载流子数目越多，半导体的导电性能也就越好，所以温度或光照对半导体的导电性能影响很大。

（2）当半导体两端加上电压后，半导体中将出现两部分电流。一部分是自由电子作定向运动所形成的电子电流，另一部分是价电子或自由电子填补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体的最大特点，也是半导体和导体导电的本质区别。结论第9页,共64页，2024年2月25日，星期天2N型半导体和P型半导体

本征半导体中虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，所以导电能力很低。如果在本征半导体中掺入微量的某种杂质（某种元素），将使掺杂后的半导体（杂质半导体）的导电能力大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两类。电子半导体（N型半导体）空穴半导体（P型半导体）杂质半导体第10页,共64页，2024年2月25日，星期天SiSiP+Si

电子半导体（N型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入磷（或其它五价元素）。磷原子的最外层有五个价电子，是五价元素。由于掺入硅或锗晶体中的磷原子数比硅或锗的原子数少得多，因此整个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被磷原子所取代。磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是这种半导体中自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式。在这种半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。P多余电子2.1N型半导体第11页,共64页，2024年2月25日，星期天

空穴半导体（P型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入硼（或其它三价元素）。硼原子的最外层有三个价电子，是三价元素。由于掺入硅或锗晶体中的硼原子数比硅或锗的原子数少得多，因此整个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被硼原子所取代。硼原子在参加共价键结构时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。于是这种半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式。在这种半导体中，空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。B填补空穴空穴SiSiB-Si2.2P型半导体第12页,共64页，2024年2月25日，星期天注意不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体结构都是不带电的。第13页,共64页，2024年2月25日，星期天§1.2PN结P型半导体或N型半导体的导电能力虽然比本征半导体的导电能力大大增强，但并不能直接用来制造半导体器件。通常是在一块晶片上，采取一定的掺杂工艺措施，在晶片两边分别形成P型半导体和N型半导体，那么它们的交接面就形成了PN结。PN结才是构成各种半导体器件的基础。第14页,共64页，2024年2月25日，星期天1PN结的形成P型半导体N型半导体

假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子（B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（P离子）带正电。由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N区有大量的自由电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附近的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－第15页,共64页，2024年2月25日，星期天P型半导体N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－

假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子（B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（P离子）带正电。由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N区有大量的自由电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附近的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。PN结第16页,共64页，2024年2月25日，星期天PN结中的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电，而在这个区域内，载流子数极少，所以空间电荷区的电阻率很高。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－P型半导体N型半导体空间电荷区的电阻率很高第17页,共64页，2024年2月25日，星期天

正负空间电荷在交接面两侧形成一个电场，称为内电场。内电场的方向由带正电的N区指向带负电的P区。内电场对多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用；对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则起推动作用，即推动少数载流子越过空间电荷区而进入对方，这种由少数载流子所形成的运动称为漂移运动。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－P型半导体N型半导体漂移运动扩散运动内电场第18页,共64页，2024年2月25日，星期天

扩散运动和漂移运动是相互联系，又是相互矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。随着扩散运动的进行，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。于是多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动逐渐增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本确定下来，PN结也就处于相对稳定的状态。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－P型半导体N型半导体漂移运动扩散运动扩散运动使空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移运动使空间电荷区变窄。内电场第19页,共64页，2024年2月25日，星期天2PN结的单向导电性外电场内电场变窄－－－－++++P区N区RI+-由于内电场被削弱，多数载流子的扩散运动得到加强，所以能够形成较大的扩散电流。第20页,共64页，2024年2月25日，星期天外电场内电场－－－－++++P区N区RI≈0+-变宽由于内电场被加强，少数载流子的漂移运动得到加强，但少数载流子数量有限，只能形成较小的反向电流。第21页,共64页，2024年2月25日，星期天结论

PN结具有单向导电性。当PN结加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态。当PN结加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态。第22页,共64页，2024年2月25日，星期天§1.3半导体二极管1基本结构将PN结加上电极引线和管壳，就成为了半导体二极管。PN+-阳极阴极图形符号文字符号D第23页,共64页，2024年2月25日，星期天按结构来分，半导体二极管点接触型面接触型

点接触型——一般为锗管，它的PN结结面积很小（结电容小），适用于小电流高频电路工作，也用于数字电路中的开关元件。

面接触型——一般为硅管，它的PN结结面积大（结电容大），可以通过较大电流，工作频率较低，适用于整流电路。第24页,共64页，2024年2月25日，星期天2伏安特性UI死区电压：硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。正向导通电压：硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。（1）半导体二极管实际上是一个PN结，所以具有单向导电性。（2）半导体二极管是非线性元件。反向击穿电压UBR第25页,共64页，2024年2月25日，星期天3主要参数（1）最大正向电流IFM指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。点接触型二极管的最大正向电流在几十毫安以下；面接触型二极管的最大正向电流较大，如2CP10型硅二极管的这个电流为100mA。实际工作时，二极管通过的电流不应超过这个数值，否则将因管子过热而损坏。（2）最高反向工作电压UDRM

指二极管不被击穿所容许的最高反向电压。一般为反向击穿电压的1/2～2/3。如2CP10型硅二极管的这个电压为25V，而反向击穿电压为50V。（3）最大反向电流IRM

指二极管在常温下承受最高反向工作电压时的反向漏电流，一般很小，但受温度影响较大。反向电流大，说明二极管的单向导电性能差。硅管的反向电流较小，一般在几个微安以下；锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。第26页,共64页，2024年2月25日，星期天4二极管的应用

二极管的应用范围很广，利用它的单向导电性，可组成整流、检波、限幅、嵌位等电路。还可构成其它元件或电路的保护电路，以及在数字电路中作为开关元件等。

在作电路分析时，一般将二极管视为理想元件，即认为正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向电压忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。第27页,共64页，2024年2月25日，星期天RD1D2+-+-uiuoUs1Us2i0105-5-10uit0105-5-10uit例：图示为一正负对称限幅电路，已知ui=10sintV，Us1=Us2=5V，画出uo的波形。解题思路：（1）当|ui|<5V时，D1、D2都处于反向偏置而截止，这时i=0，所以uo=ui。（2）ui>5V时，D1处于正向偏置而导通，所以uo=5V。（3)ui<-5V时，D2处于正向偏置而导通，所以uo=-5V。第28页,共64页，2024年2月25日，星期天例：图示电路，已知ui的波形，画出uo的波形。RRLuiuRuoCDtuituotuR第29页,共64页，2024年2月25日，星期天§1.4稳压管

稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合，能起到稳定电压的作用，所以称其为稳压管。1基本结构图形符号文字符号DZPN+-阳极阴极第30页,共64页，2024年2月25日，星期天UIUZIZIZmaxUZIZ

（1）稳压管的伏安特性与二极管的伏安特性类似。所不同的是稳压管的反向特性曲线比较陡。

（2）稳压管工作于反向击穿区。当稳压管反向击穿后，反向电流虽在很大范围内变化，但反向电压却变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中可以起稳压作用。

（3）稳压管与一般二极管不同，它的反向击穿是可逆的。当取掉反向电压后，稳压管又恢复正常。但是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将发生热击穿而损坏。2伏安特性第31页,共64页，2024年2月25日，星期天3主要参数（1）稳定电压UZ为稳压管反向击穿后稳定工作的电压值。手册中所给的都是在一定条件下的数值，即使是同一型号的管子，由于工艺和其它方面的原因，稳压值都有一定的分散性。（2）电压温度系数

U温度每变化1℃稳定电压变化的百分数。一般来说，低于6V的稳压管，其电压温度系数是负值；高于6V的稳压管，其电压温度系数是正值；而在6V左右的稳压管，其稳定电压基本不随温度变化。因此选用稳定电压为6V左右的稳压管，可得到较好的温度稳定性。（3）动态电阻rZ

稳压管的反向特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。第32页,共64页，2024年2月25日，星期天（4）稳定电流IZ为稳压管正常工作时的参考电流值。手册上给出的稳定电压和动态电阻都是对应于这个电流附近的数值。（5）额定功率PZ和最大稳定电流IZMPZ为稳压管允许结温下的最大功率损耗。IZM为稳压管允许通过的最大电流。第33页,共64页，2024年2月25日，星期天§1.5直流稳压电源

在生产、生活和科学实验中，主要采用交流电，但在某些场合，例如电解、电镀、蓄电池的充电、直流电动机等，都需要直流电源供电。此外，在电子线路和自动控制装置中还需要用非常稳定的直流电源电压。为了得到直流电，除了用直流发电机外，目前广泛采用各种半导体直流电源。第34页,共64页，2024年2月25日，星期天

半导体直流电源由整流变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等环节组成。

整流变压器Tr：将交流电源电压u1变换为符合整流要求的交流电压u2。

滤波电路：将单向脉动直流电压u3变换为脉动较小的直流电压u4。

整流电路：将交流电压u2变换为单向脉动的直流电压u3。

稳压电路：在交流电源电压波动及负载变化时，使直流输出电压uo稳定。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u4uou3Tr第35页,共64页，2024年2月25日，星期天§1.6整流电路

整流电路的作用是将交流电压变换为单向脉动的直流电压。常见的小功率整流电路有：单相半波、全波、桥式和倍压整流等，这些整流电路主要应用在电子仪器中。在要求整流功率较大的场合，采用单相整流电路，会造成三相电网负载的不平衡，影响供电质量，这时应采用三相桥式整流电路。

在整流电路中，整流元件为二极管，为分析问题简单起见，可把二极管当作理想元件来处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。第36页,共64页，2024年2月25日，星期天1单相半波整流电路忽略二极管正向压降，则uo=u+-所以uo=0-+u>0时：二极管正向导通，io≠0u<0时：二极管反向截止，io=0

～uaTrbDRLuoio～uaTrbDRLuoio第37页,共64页，2024年2月25日，星期天～uaTrbDRLuoiotuoiotu

23uo、io的波形与平均值

二极管的平均电流二极管的最高反向电压第38页,共64页，2024年2月25日，星期天2单相桥式整流电路u>0时：D1、D3正向导通，D2、D4反向截止，io>0，uo=u>0D4D2D1D3RLab～uTruoio+-第39页,共64页，2024年2月25日，星期天u<0时：D2、D4正向导通，D1、D3反向截止，io>0，uo=-u>0D4D2D1D3RLab～uTruoio-+第40页,共64页，2024年2月25日，星期天ttu

23uo、io的波形与平均值

uoio第41页,共64页，2024年2月25日，星期天D4D2D1D3RLab～uTruoio二极管的平均电流二极管的最高反向电压第42页,共64页，2024年2月25日，星期天例已知负载电阻RL=80

，负载电压Uo=110V，采用桥式整流电路，交流电源电压为380V，如何选择整流二极管？解

可选用2CZ11C型二极管，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。

考虑到变压器副绕组及管子上的压降，变压器的副边电压大约要比计算值高出10%，所以第43页,共64页，2024年2月25日，星期天§1.7滤波电路

交流电压经整流后输出的是单向脉动的直流电压，其中既含有直流成分又含有交流成份。滤波电路的作用是利用电容元件两端电压不能跃变或电感元件中电流不能跃变的特性,将电容元件与负载并联或将电感元件与负载串联，滤掉整流输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到输出电压平滑的目的。第44页,共64页，2024年2月25日，星期天1单相半波带电容滤波的整流电路uo～uaTrbDRLC+uCtu

23D导通D截止tuo第45页,共64页，2024年2月25日，星期天D截止C放电tuoObcaD导通C充电dO～a段：D导通，电源对C充电，uo=uC=u；

a～b段：从a点开始，u和uC都开始下降，u按正弦规律下降，uC按指数规律下降，开始uC下降速度大于u，所以D导通，uo=uC=u；

b～c段：从b点开始，

u下降速度大于uC

，所以D截止，uo=uC，按指数规律变化，变化快慢决定于

=RLC；

c～d段：u>uC，D又导通，uo=uC=u，重复上一周期。uo～uaTrbDRLC+uCtu

23第46页,共64页，2024年2月25日，星期天tuoOtuo无电容滤波带电容滤波

带电容滤波时，uo的脉动大为减小，其平均值Uo增大。uo～uaTrbDRLC+uC第47页,共64页，2024年2月25日，星期天tuoOtuo无电容滤波带电容滤波

在空载时：

随着负载的增大（

RL

↘），放电时间常数

=RLC↘

，放电加快，所以Uo↘。uo～uaTrbDRLC+uC通常规定：单相半波带电容滤波的整流电路——单相全波带电容滤波的整流电路——第48页,共64页，2024年2月25日，星期天单相半波带电容滤波整流电路的特点一般取(T：电源电压的周期)(2)流过二极管的瞬时电流很大=RLC愈大

Uo愈大

负载电流的平均值愈大

整流管导通角愈小

iD的峰值也就愈大。(1)输出电压Uo与时间常数

=RLC有关=RLC愈大

电容C放电愈慢

Uo(uo的平均值)愈大。第49页,共64页，2024年2月25日，星期天(3)二极管承受的最高反向电压(4)、输出外特性——Uo与Io的关系曲线Uo带电容滤波1.4U0.45UIo无电容滤波

带电容滤波的整流电路，其外特性较差，或者说带负载能力较差。电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且变化也较小的场合。uo～uaTrbDRLC+uCio第50页,共64页，2024年2月25日，星期天2电感滤波电路电路结构：在整流电路与负载之间串联一个电感L就构成了电感滤波电路。uo～uTrbRLLau′第51页,共64页，2024年2月25日，星期天（1）滤波原理

对u′的直流分量：f=0，XL=0，相当于短路，电压大部分降在RL上；对u′的交流分量：f越高，XL越大，电压大部分降在XL上。因此，uo主要是u′的直流成分，uo是比较平滑的直流电压。Uo=0.9U

当忽略L的直流电阻时，uo的平均值约为：uo～uTrbRLLau′第52页,共64页，2024年2月25日，星期天Luo～uTrbRLau′（2）电感滤波的特点:

整流管导通角较大，峰值电流很小，输出外特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。第53页,共64页，2024年2月25日，星期天3复合滤波电路

单独使用电容或电感构成的滤波电路，滤波效果不够理想，为了满足较高的滤波要求常采用电容和电感组成的LC、CLC-

型等复合滤波电路。这两种滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。LC+C+C+L第54页,共64页，2024年2月25日，星期天C+C+LC+C+R

在负载较轻时，常采用电阻代替笨重的电感，构成CRC-

型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，所以只适用于负载电流较小的场合。第55页,共64页，2024年2月25日，星期天§1.8稳压电路

经整流和滤波后的直流电压往往还会随交流电源电压的波动或负载的变化而变化。为了得到很稳定的直流电压，直流稳压电源还需在整流、滤波电路之后再加一级稳压电路。最简单的稳压电路是采用稳压管和限流电阻组成。UoUiRRLDZIZIo稳压电路Ui是经整流和滤波后的电压第56页,共64页，2024年2月25日，星期天UoUiRRLDZIZIo*当交流电源电压波动而使Ui变化时Uo=Ui-UR↑IZ↑UR↑U