半導(dǎo)體二極管與直流穩(wěn)壓電源

半導(dǎo)體二極管與直流穩(wěn)壓電源第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日武漢工程大學(xué)

電工教研室

第6章

半導(dǎo)體二極管與直流穩(wěn)壓電源返回第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.1

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識6.2半導(dǎo)體二極管6.3二極管應(yīng)用電路6.4特殊二極管6.5直流穩(wěn)壓電源目錄第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日

本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。

應(yīng)用最多的本征半導(dǎo)體為鍺和硅，它們各有四個價電子，都是四價元素.硅的原子結(jié)構(gòu)第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日

純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱為晶體

——晶體管名稱的由來

本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價健結(jié)構(gòu)

本征半導(dǎo)體SiSiSiSi共價鍵價電子第六頁，共六十九頁，2022年，8月28日自由電子與空穴6.1.1本征半導(dǎo)體

共價鍵中的電子在獲得一定能量后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子同時在共價鍵中留下一個空穴?？昭⊿iSiSiSi自由電子第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象

由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象-----

熱激發(fā)6.1.1本征半導(dǎo)體

自由電子在運(yùn)動中遇到空穴后，兩者同時消失，稱為復(fù)合現(xiàn)象

溫度一定時，本征半導(dǎo)體中的自由電子—空穴對的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子—空穴對數(shù)目越多。SiSiSiSi自由電子空穴第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體導(dǎo)電方式

在半導(dǎo)體中，同時存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。載流子自由電子和空穴

因為，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好，所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能的影響很大。6.1.1本征半導(dǎo)體SiSiSiSi自由電子空穴當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，自由電子作定向運(yùn)動形成電子電流；而空穴的運(yùn)動相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動第九頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷（或其它五價元素）。

自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體SiSiP+Si多余電子第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入硼（或其它三價元素）。

空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。

空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。SiSiB-Si空穴第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

不論N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個晶體仍然是不帶電的。返回第十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日

6.1.2PN結(jié)1.PN結(jié)的形成自由電子PN空穴第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動形成的,擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。自由電子PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向空穴第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流基本是多子的擴(kuò)散電流——正向電流–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RI第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?外加反向電壓使PN結(jié)截止

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流是少子的漂移電流

----反向電流特點:受溫度影響大原因:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的+

-變寬PN內(nèi)電場方向外電場方向RI=0第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)論

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

（1）PN結(jié)加正向電壓時，處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，正向電流較大。（2）PN結(jié)加反向電壓時，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，反向電流很小。返回第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.2半導(dǎo)體二極管6.3.1基本結(jié)構(gòu)6.2.2伏安特性6.2.3伏安特性的折線化6.2.4二極管的主要參數(shù)6.2.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)陰極引線鋁合金小球金銻合金底座N型硅陽極引線面接觸型引線外殼觸絲N型鍺片點接觸型表示符號第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.2.2伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

半導(dǎo)體二極管的伏安特性是非線性的。第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管：0.1伏左右。正向壓降：硅管：0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。6.2.2伏安特性1正向特性第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日反向電流：反向飽和電流：反向擊穿電壓U（BR）6.2.2伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓2反向特性第二十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.2.4主要參數(shù)1最大整流電流IOM：二極管長時間使用時，允許流過的最大正向平均電流。2反向工作峰值電壓URWM:

保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。3反向峰值電流IRM:

二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.3二極管應(yīng)用電路

主要利用二極管的單向?qū)щ娦??？捎糜谡?、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。返回第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.3二極管應(yīng)用電路1、二極管限幅與嵌位電路。已知輸入波形畫出輸出波形。返回D1D2E2RE1uoABui在ui的正半周，當(dāng)ui<E1時，D1、D2都處于反向偏置，不導(dǎo)通，uo=ui。當(dāng)ui>E1時，D1處于正向偏置而導(dǎo)通，使輸出電壓uo保持在等于E1值。在ui的負(fù)半周，當(dāng)-E2<ui<E1時，D1、D2都處于反向偏置而截止，uo=ui。當(dāng)ui<-E2時，D2處于正向偏置而導(dǎo)通，使輸出電壓uo保持在等于-E2值。第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日限幅電路的應(yīng)用限幅電路在脈沖電路中常用作波形變換，如將正弦電壓變?yōu)榉讲āＴ谀M電子設(shè)備中，限幅電路可作保護(hù)電路。例如接收機(jī)輸入端在遇到強(qiáng)電壓干擾時，可能造成電路不能正常工作甚至損壞設(shè)備。若在輸入端加入限幅器，則可避免這種情況。對正常接收的信號，由于輸入信號幅度很小，限幅器并不起作用。

第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日例：在下圖的（a）、（b）電路中，已知E=5V，ui=10sinωtV，二極管的正向壓降可忽略不計。試畫出輸出電壓uo的波形。

（a）（b）解：對（a）圖，當(dāng)ui>E時，二極管導(dǎo)通，uo=E=5V;當(dāng)ui<=E時，二極管截止，uo=ui=10sinωt;對（b）圖，當(dāng)ui<E時，二極管導(dǎo)通，uo=E=5V;當(dāng)ui>=E時，二極管截止，uo=ui=10sinωt;第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日2、二極管門電路。圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。-12VAB+3V0VDBDAYRVY=+2.7VDA起鉗位作用，DB起隔離作用。第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日在含有多個陽極或陰極并聯(lián)的二極管電路中，如何判斷哪些二極管導(dǎo)通，哪些二極管截止？

首先假設(shè)這些二極管都處于截止?fàn)顟B(tài)，然后依次判斷各個二極管的陽極和陰極之間的電壓，哪個二極管陽極和陰極的電壓高，哪個二極管就優(yōu)先導(dǎo)通；之后根據(jù)該二極管導(dǎo)通之后的狀態(tài)來判斷其他二極管是導(dǎo)通還是截止?fàn)顟B(tài)。思考題第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日例1：試判斷下圖所示電路中，當(dāng)Ui＝3V時哪些二極管導(dǎo)通？當(dāng)Ui＝0V時哪些二極管導(dǎo)通？設(shè)二極管正向壓降為0.7V。

解：當(dāng)Ui＝3V時，UB=0.7V,UA=2.1V所以D1截止，D2-D4導(dǎo)通。當(dāng)Ui＝0V時，D1導(dǎo)通，D2-D4截止。D1D2D3D4R15VR2ABUi第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日例2：試判斷下圖所示電路中，D1和D2的狀態(tài)。設(shè)二極管正向壓降為0.7V。解：UD1o=15V>UOND1導(dǎo)通

UD20=-12-（-15）=3V>UOND2導(dǎo)通UD10

>

UD20D1優(yōu)先導(dǎo)通

UD20=-12-UA=-12-(-0.7）=-11.3V<UON

D2截止故

D1導(dǎo)通D2截止第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日3、整流電路利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟缍O管等，將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動直流電的電路稱為整流電路。整流電路按輸入電源相數(shù)可分為單相整流電路和三相整流電路，按輸出波形又可分為半波整流電路和全波整流電路。目前廣泛使用的是橋式整流電路。第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日（1）單相半波整流電路第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日當(dāng)u2為正半周時，二極管D承受正向電壓而導(dǎo)通，此時有電流流過負(fù)載，并且和二極管上的電流相等，即io=id。忽略二極管的電壓降，則負(fù)載兩端的輸出電壓等于變壓器副邊電壓，即uo=u2

，輸出電壓uo的波形與u2相同。第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日當(dāng)u2為負(fù)半周時，二極管D承受反向電壓而截止。此時負(fù)載上無電流流過，輸出電壓uo=0，變壓器副邊電壓u2全部加在二極管D上。第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日（2）單相橋式整流電路單相半波整流電路的缺點是只利用了電源的半個周期，同時整流電壓的脈動較大。為克服這個缺點，常采用全波整流電路，其中最常見的是單相橋式整流電路。它是由四個二極管接成電橋的形式構(gòu)成的。第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日u2為正半周時，a點電位高于b點電位，二極管D1、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，D2、D4承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：a→D1→RL→D3→b，如圖中實線箭頭所示。u2為負(fù)半周時，b點電位高于a點電位，二極管D2、D4承受正向電壓而導(dǎo)通，D1、D3承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：b→D2→RL→D4→a，如圖中虛線箭頭所示。第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.4穩(wěn)壓管

一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。1穩(wěn)壓管表示符號：

第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日正向+-反向+-IZUZ2穩(wěn)壓管的伏安特性：3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.4穩(wěn)壓管4主要參數(shù)（2）電壓溫度系數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.4穩(wěn)壓管（3）動態(tài)電阻（4）穩(wěn)定電流（5）最大允許耗散功率rZ穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值IZPZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。

PZM=UZIZM第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.4穩(wěn)壓管+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ時,電路不通；當(dāng)U>UZ大于時,穩(wěn)壓管擊穿此時選R，使IZ<IZM返回第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.4穩(wěn)壓管

例1:下圖所示電路中，已知穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值為6V，D2的穩(wěn)壓值為10V。試計算各電路的輸出電壓Uo。穩(wěn)壓管正向壓降為0.7V。（Ui為足夠大的直流電壓）返回D1D2RUoUi（a）D1D2RUiUo（b）解：(a)Uo=6+10=16V；(b)Uo=6+0.7=6.7V第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.4穩(wěn)壓管

例2:下圖所示電路中，已知穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值為6V，D2的穩(wěn)壓值為10V。試計算各電路的輸出電壓Uo。穩(wěn)壓管正向壓降為0.7V。（Ui為足夠大的直流電壓）返回D1D2RUoUi（c）D1D2RUiUo（d）解：(c)Uo=6V；(d)Uo=0.7+0.7=1.4V第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.4穩(wěn)壓管

例2:下圖所示電路中，已知穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值為6V，D2的穩(wěn)壓值為10V。試計算各電路的輸出電壓Uo。穩(wěn)壓管正向壓降為0.7V。（Ui為足夠大的直流電壓）返回D1D2RUoUi（e）D1RUiUo（f）D2解：(e)Uo=0.7V；(f)Uo=0.7V第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日一、二極管電路如圖所示，試判斷圖中的二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出AO兩端電壓UAO。設(shè)二極管是理想的。

先判斷二極管是導(dǎo)通或截止二極管的正向電壓UD是否大于導(dǎo)通電壓UON-6V-12V=6V>UON二極管是導(dǎo)通UDUAO=-6V練習(xí)第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日6VA12VOV1V2二、判斷二極管是導(dǎo)通或截止二極管的正向電壓UD是否大于導(dǎo)通電壓UONUD2UD1-12V0V=-12V<UONUD1=-12V-6V=-6V<UONUD2=二極管D1截止二極管D2截止第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日1810V215V14010255三、試判斷圖題中二極管導(dǎo)通還是截止，為什么?

ABC二極管的正向電壓UD是否大于導(dǎo)通電壓UON設(shè)UON=0.3(V)

二極管截止第五十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日四、選擇判斷題1、判斷下列說法是否正確，用“√”和“×”表示判斷結(jié)果填入空內(nèi)。（1）在N型半導(dǎo)體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導(dǎo)體。（）（2）因為N型半導(dǎo)體的多子是自由電子，所以它帶負(fù)電。（）（3）PN結(jié)在無光照、無外加電壓時，結(jié)電流為零。（）（4）處于放大狀態(tài)的晶體管，集電極電流是多子漂移運(yùn)動形成的。（）√√

×

×

第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日2、選擇正確答案填入空內(nèi)。

（1）PN結(jié)加正向電壓時，空間電荷區(qū)將。

A.變窄B.基本不變C.變寬（2）穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)是其工作在。

A.正向?qū)˙.反向截止C.反向擊穿（3）當(dāng)晶體管工作在放大區(qū)時，發(fā)射結(jié)電壓和集電結(jié)電壓應(yīng)為。

A.前者反偏、后者也反偏

B.前者正偏、后者反偏

C.前者正偏、后者也正偏AB

C

（4）工作在放大區(qū)的某三極管，如果當(dāng)IB從12μA增大到22μA時，IC從1mA變?yōu)?mA，那么它的β約為。

A.83B.91C.100C第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日（5）普通雙極型晶體管是由

。

(A)一個PN結(jié)組成(B)二個PN結(jié)組成

(C)三個PN結(jié)組成（6）測得電路中工作在放大區(qū)的某晶體管三個極的電位分別為0V、0.7V和4.7V，則該管為

。(A)NPN型鍺管(B)PNP型鍺管(C)NPN型硅管(D)PNP型硅管（7）已知放大電路中某晶體管三個極的電位分別為VE=1.7V，VB=1.4V，VC=5V，則該管類型為

。

(A)NPN型鍺管(B)PNP型鍺管(C)NPN型硅管(D)PNP型硅管BA

D

第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日（8）晶體管的主要特點是具有

。

(A)單向?qū)щ娦?B)電流放大作用(C)穩(wěn)壓作用（9）晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時，集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的偏置情況為。(A)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏(B)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏(C)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏(D)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏（10）已知某晶體管處于放大狀態(tài)，測得其三個極的電位分別為6V、9V和6.3V，則6V所對應(yīng)的電極為。

(A)發(fā)射極(B)集電極(C)基極BA

B

第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日（11）所謂晶體管輸出特性曲線中的線性區(qū)域是指。

(A)放大區(qū)(B)飽和區(qū)(C)截止區(qū)（12）如果接在電路中某晶體管的基極與發(fā)射極短路，則。(A)管子深度飽和(B)管子截止(C)管子工作在放大狀態(tài)（13）圖中已標(biāo)出各硅晶體管電極的電位，判斷處于截止?fàn)顟B(tài)的晶體管是

。AD

B

第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日（6）測得某一PNP硅管三個極的電位是：VB=3.2V，VE=2.5V，VC=7V，則該管工作在。

(A)線性放大狀態(tài)(B)飽和工作狀態(tài)(C)截止工作狀態(tài)（15）電路如圖所示，晶體管處于

。(A)線性放大狀態(tài)(B)飽和工作狀態(tài)(C)截止工作狀態(tài)A

B

第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日五、寫出下圖所示各電路的輸出電壓值，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。

解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日六、已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ＝6V，穩(wěn)定電流的最小值IZmin＝5mA。求圖所示電路中UO1和UO2各為多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V。

第六十頁，共六十九頁，2022年，8月28日七、（1）

能否將1.5V的干電池以正向接法接到二極管兩端？為什么？

解：不能。因為二極管的正向電流與其端電壓成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)端電壓為1.5V時，管子會因電流過大而燒壞。（2）現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問：（a）若將它們串聯(lián)相接，則可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？（b）若將它們并聯(lián)相接，則又可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？解：（a）兩只穩(wěn)壓管串聯(lián)時可得1.4V、6.7V、8.7V和6V等四種穩(wěn)壓值。（b）兩只穩(wěn)壓管并聯(lián)時可得0.7V和6V等兩種穩(wěn)壓值。第六十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日八、

電路如圖所示，其輸入電壓uI1和uI2的波形如圖（b）所示，二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。試畫出輸