《電工電子技術(shù)》課件第7章

第7章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用7.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)7.2半導(dǎo)體二極管7.3二極管的應(yīng)用小結(jié)習(xí)題

7.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

7.1.1本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體

1．本征半導(dǎo)體

完全純凈的、具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。

硅或鍺是四價(jià)元素，其最外層原子軌道上有四個(gè)價(jià)電子。在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，相鄰兩個(gè)原子的價(jià)電子相互共有(即每個(gè)原子的四個(gè)價(jià)電子既受自身原子核的束縛，又為相鄰的四個(gè)原子所共有)，每?jī)蓚€(gè)相鄰原子之間都共有一對(duì)價(jià)電子。這種組合方式稱(chēng)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。圖7-1為單晶硅共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的平面示意圖。圖7-1單晶硅中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)在共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，每個(gè)原子的最外層雖然具有八個(gè)電子而處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但是共價(jià)鍵中的價(jià)電子并不像絕緣體中的電子那樣被束縛得很緊，在室溫下，有極少數(shù)價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)能獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵束縛成為自由電子。

在一部分價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子后，共價(jià)鍵中就留下了相應(yīng)的空位，這個(gè)空位被稱(chēng)為空穴。原子因失去一個(gè)價(jià)電子而帶正電，也可以說(shuō)空穴帶正電。在本征半導(dǎo)體中，電子與空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，它們被稱(chēng)為電子空穴對(duì)，如圖7-2所示。圖7-2電子空穴對(duì)的形成

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體

1)N型半導(dǎo)體

若在純凈的硅晶體中摻入微量的五價(jià)元素(如磷)，則硅原子占有的某些位置會(huì)被摻入的微量元素(如磷)原子所取代，而整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)基本不變。磷原子與硅原子組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)只需四個(gè)價(jià)電子，而磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，多余的那個(gè)價(jià)電子不受共價(jià)鍵束縛，只需獲得很少的能量就能成為自由電子。由此可見(jiàn)，摻入一個(gè)五價(jià)元素的原子，就能提供一個(gè)自由電子。必須注意的是，產(chǎn)生自由電子的同時(shí)并沒(méi)有產(chǎn)生空穴，但由于熱運(yùn)動(dòng)原有的晶體仍會(huì)產(chǎn)生少量的電子空穴對(duì)。所以，只要在本征半導(dǎo)體中摻入微量的五價(jià)元素，就可以得到大量的自由電子，且自由電子數(shù)目遠(yuǎn)比摻雜前的電子空穴對(duì)數(shù)目要多得多。以自由電子導(dǎo)電為主要導(dǎo)電方式的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱(chēng)為電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱(chēng)N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中存在著大量的自由電子，這就提高了電子與空穴的復(fù)合機(jī)會(huì)，相同溫度下空穴的數(shù)目比摻雜前要少。所以，在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)多子)，空穴是少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)少子)，如圖7-3(a)所示。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)濃度越高，自由電子數(shù)目越大，導(dǎo)電能力也就越強(qiáng)。在N型半導(dǎo)體中，一個(gè)雜質(zhì)原子提供一個(gè)自由電子，當(dāng)雜質(zhì)原子失去一個(gè)電子后，就變?yōu)楣潭ㄔ诰Ц裰胁荒芤苿?dòng)的正離子，但它不是載流子。因此，N型半導(dǎo)體就可用正離子和與之?dāng)?shù)量相等的自由電子表示，如圖7-3(b)所示。其中也有少量由熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)。圖7-3單晶硅中摻五價(jià)元素形成N型半導(dǎo)體

2)P型半導(dǎo)體

若在純凈的硅(或鍺)晶體內(nèi)摻入微量的三價(jià)元素硼(或銦)，則因硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與周?chē)墓柙咏M成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)因缺少一個(gè)電子而在晶體中產(chǎn)生一個(gè)空穴。摻入多少三價(jià)元素的雜質(zhì)原子，就會(huì)產(chǎn)生多少空穴。因此，這種半導(dǎo)體將以空穴導(dǎo)電為其主要導(dǎo)電方式，稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱(chēng)P型半導(dǎo)體。所以，P型半導(dǎo)體是空穴為多子、電子為少子的雜質(zhì)半導(dǎo)體，如圖7-4(a)所示。必須注意的是，產(chǎn)生空穴的同時(shí)并沒(méi)有產(chǎn)生新的自由電子，但原有的晶體仍會(huì)產(chǎn)生少量的電子空穴對(duì)。圖7-4單晶硅中摻三價(jià)元素形成P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體中，一個(gè)三價(jià)元素的雜質(zhì)原子產(chǎn)生一個(gè)空穴，雜質(zhì)原子產(chǎn)生的空穴很容易被相鄰共價(jià)鍵中的電子填補(bǔ)，這樣雜質(zhì)原子就會(huì)因獲得一個(gè)電子而帶負(fù)電荷，成為帶有負(fù)電荷的雜質(zhì)離子。因此，P型半導(dǎo)體可以用帶有負(fù)電荷而不能運(yùn)動(dòng)的雜質(zhì)離子和與之?dāng)?shù)量相等的空穴表示。其中有少量由熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，如圖7-4(b)所示。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)濃度越高，空穴數(shù)目越大，導(dǎo)電能力也就越強(qiáng)。7.1.2

PN結(jié)

1．PN結(jié)的形成

在一塊硅或鍺的晶片上，采取不同的摻雜工藝，分別形成N型半導(dǎo)體區(qū)和P型半導(dǎo)體區(qū)。N區(qū)的多數(shù)載流子為電子(即電子濃度高)，少子為空穴(即空穴濃度低)，而P區(qū)正相反，多數(shù)載流子為空穴(即空穴濃度高)，少子為電子(即電子濃度低)。在P區(qū)與N區(qū)的交界面兩側(cè)，由于濃度的差別，空穴要從濃度高的P區(qū)向濃度低的N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的自由電子要向P區(qū)擴(kuò)散。由于濃度的差別而引起的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這樣，在P區(qū)就留下了一些帶負(fù)電荷的雜質(zhì)離子，在N區(qū)就留下了一些帶正電荷的雜質(zhì)離子，從而形成一個(gè)空間電荷區(qū)。這個(gè)空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。在空間電荷區(qū)內(nèi)，只有不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子，而沒(méi)有載流子，所以空間電荷區(qū)具有很高的電阻率，如圖7-5所示。圖7-5

PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)形成了一個(gè)從帶正電荷的N區(qū)指向帶負(fù)電荷的P區(qū)的電場(chǎng)，稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)。顯然，不論是P區(qū)的多子空穴，還是N區(qū)的多子電子，在擴(kuò)散過(guò)程中通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)，都要受到內(nèi)電場(chǎng)的阻力。內(nèi)電場(chǎng)阻止多數(shù)載流子的繼續(xù)擴(kuò)散。因此，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)將不斷變寬，內(nèi)電場(chǎng)將不斷加強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將不斷減弱。另一方面，由于內(nèi)電場(chǎng)的存在，使少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)(少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng))，即P區(qū)少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，N區(qū)少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移。不論是P區(qū)的少子電子，還是N區(qū)的少子空穴，在內(nèi)電場(chǎng)作用下向?qū)Ψ狡频慕Y(jié)果，都會(huì)導(dǎo)致空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)削弱。

2．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

若在PN結(jié)兩端外加電壓，則將會(huì)破壞PN結(jié)原有的平衡。如圖7-6(a)所示，P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，由于外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，因此在外電場(chǎng)的作用下，P區(qū)的空穴要向N區(qū)移動(dòng)，與一部分雜質(zhì)負(fù)離子中和，同樣，N區(qū)的電子也要向P區(qū)移動(dòng)，與一部分雜質(zhì)正離子中和，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成較大的正向電流。在一定范圍內(nèi)，外加電壓越高，外電場(chǎng)越強(qiáng)，空間電荷區(qū)就越窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的正向電流也就越大。因此，加正向電壓時(shí)，PN結(jié)呈低電阻而處于導(dǎo)通狀態(tài)?？昭ㄅc電子雖然帶有不同極性的電荷，但由于它們運(yùn)動(dòng)的方向相反，因此形成的電流方向是一致的。PN結(jié)的正向電流為空穴電流和電子電流兩部分之和。PN結(jié)的電流方向?yàn)橛蒔區(qū)指向N區(qū)。若外接電壓方向相反，如圖7-6(b)所示，N區(qū)接電源正極，P區(qū)接電源負(fù)極，則外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向一致。外電場(chǎng)加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，結(jié)果阻止了多子的擴(kuò)散，有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，使空間電荷增加，空間電荷區(qū)變寬。P區(qū)的少子電子和N區(qū)的少子空穴都會(huì)向?qū)Ψ狡贫纬煞聪螂娏?由N區(qū)指向P區(qū))。因?yàn)樯贁?shù)載流子的數(shù)量很少，所以反向電流一般很小，但由于少數(shù)載流子的數(shù)目受溫度的影響很大，因此溫度越高，少數(shù)載流子的數(shù)目就越多，反向電流就會(huì)相應(yīng)增大。因此，在PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)呈高阻狀態(tài)而處于反向截止。圖7-6

PN結(jié)加正向電壓與加反向電壓7.1.3半導(dǎo)體的電阻率

與導(dǎo)體的電阻率相比，半導(dǎo)體的電阻率有以下特點(diǎn)。

1．對(duì)溫度反映靈敏(熱敏性)

導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高略有升高，如銅的電阻率僅增加0.4%左右，但半導(dǎo)體的電阻率則隨溫度的上升而急劇下降，如純鍺在溫度從20℃上升到30℃時(shí)，其電阻率降低為原來(lái)的一半左右。

2．光照可以改變電阻率(光敏性)

有些半導(dǎo)體(如硫化鎘)受到光照時(shí)，其導(dǎo)電能力會(huì)變得很強(qiáng)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，又變得很弱，利用這種特性可以制成光敏元件。金屬的電阻率不受光照的影響。

3．雜質(zhì)的影響顯著(摻雜性)

金屬中含有少量雜質(zhì)，其電阻率不會(huì)發(fā)生顯著變化，但是，極微量的雜質(zhì)摻在半導(dǎo)體中，會(huì)引起電阻率的極大變化。例如，在純硅中加入1%的硼，就可以使硅的電阻率從2.3×105Ω·cm急劇減小到0.4Ω·cm左右。

溫度、雜質(zhì)、光照對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的影響是制作各種半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)。

7.2半導(dǎo)體二極管

7.2.1二極管的結(jié)構(gòu)與特性

1.基本結(jié)構(gòu)

將PN結(jié)的兩端加上電極引線(xiàn)并用外殼封裝，就組成了一只晶體二極管。由P區(qū)引出的電極為正極(又稱(chēng)陽(yáng)極)，由N區(qū)引出的電極為負(fù)極(又稱(chēng)陰極)。常見(jiàn)的二極管外形及電路符號(hào)如圖7-7所示。圖7-7二極管的符號(hào)及結(jié)構(gòu)示意圖通常二極管有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類(lèi)。

點(diǎn)接觸型二極管的特點(diǎn)是：PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，不能承受較高的反向電壓和較大的工作電流，適用于高頻小功率電路。

面接觸型二極管的特點(diǎn)是：PN結(jié)面積較大，結(jié)電容也大，可承受較大的電流，常用于低頻大功率電路中。

2.伏安特性

二極管的伏安特性是指加在二極管兩端的電壓U與流過(guò)二極管的電流I之間的關(guān)系，即I=f(U)。在近似分析時(shí)，二極管的伏安特性可用下式表示：

(7-1)

式中，IS為反向飽和電流，UT=kT/q稱(chēng)為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電子電荷量。對(duì)于室溫(相當(dāng)于T為300K)，有UT=26mV。

二極管就是一個(gè)PN結(jié)，當(dāng)然具有單向?qū)щ娦浴?CP12(普通型硅二極管)和2AP9(普通型鍺二極管)的伏安特性曲線(xiàn)如圖7-8所示。圖7-8二極管的伏安特性

1)正向特性

當(dāng)U>0時(shí)，二極管處于正向特性區(qū)域。在正向特性的起始部分，由于外加電壓很小，因此外電場(chǎng)還不足以削弱內(nèi)電場(chǎng)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)還不能得到加強(qiáng)，正向電流幾乎為零，這一段稱(chēng)為死區(qū)。當(dāng)正向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，內(nèi)電場(chǎng)就被大大削弱了，正向電流迅速增大。這個(gè)數(shù)值的電壓稱(chēng)為二極管的門(mén)坎電壓(又稱(chēng)為死區(qū)電壓)。一般硅二極管的門(mén)坎電壓約為0.5V，鍺二極管的門(mén)坎電壓約為0.2V。二極管一旦正向?qū)ê螅灰螂妷荷杂凶兓?，就?huì)使正向電流變化較大，即正向電壓隨正向電流增大而增大很小，在這一段二極管的正向特性曲線(xiàn)很陡。因此，二極管正向?qū)〞r(shí)，管子上的正向壓降不大，且正向壓降的變化很小。一般硅二極管的正向電壓UBE(on)≈0.7V，鍺二極管的正向電壓UBE(on)≈0.3V。

2)反向特性

當(dāng)U<0時(shí)，二極管處于反向特性區(qū)域。由曲線(xiàn)可以看出，在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流變化不大，這是因?yàn)榉聪螂娏魇怯缮贁?shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，且在一定溫度下，少子的數(shù)目是基本不變的，所以反向電流基本恒定，與反向電壓的大小無(wú)關(guān)，故通常稱(chēng)其為反向飽和電流。反向飽和電流隨溫度的升高而增加。當(dāng)反向電壓過(guò)高時(shí)，會(huì)使反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為反向擊穿。7.2.2二極管的參數(shù)

半導(dǎo)體器件的質(zhì)量指標(biāo)和安全使用范圍常用它的參數(shù)來(lái)表示。所以，參數(shù)是我們選擇和使用器件的標(biāo)準(zhǔn)。二極管的主要參數(shù)有以下幾個(gè)。

1．最大整流電流IOM

IOM是二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流。因電流通過(guò)PN結(jié)會(huì)引起二極管發(fā)熱，故電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)發(fā)熱過(guò)度而燒壞。

2．最高反向工作電壓URM

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓UBR。URM是為了防止二極管反向擊穿而規(guī)定的最高反向工作電壓。最高反向工作電壓一般為反向擊穿電壓的1/2或2/3。

3．最大反向電流IRM

IRM是指當(dāng)二極管加上最大反向工作電壓時(shí)的反向電流值，其值愈小，說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦杂?。硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下。鍺管的反向電流較大，是硅管的幾十至幾百倍。7.2.3特殊二極管

1．穩(wěn)壓二極管

利用二極管反向擊穿特性陡直的特點(diǎn)，可以制作穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型硅二極管，能承受較大的電流，它的電路符號(hào)和伏安特性曲線(xiàn)如圖7-9所示。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線(xiàn)和普通二極管類(lèi)似，只是反向特性曲線(xiàn)比較陡。圖7-9穩(wěn)壓管的電路符號(hào)和伏安特性曲線(xiàn)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有如下幾個(gè)。

1)穩(wěn)定電壓UZ和穩(wěn)定電流IZ

穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓管在正常工作狀態(tài)下管子兩端的電壓。同一型號(hào)的穩(wěn)壓管，由于制造方面的原因，其穩(wěn)壓值也有一定的分散性，如2CW18的穩(wěn)定電壓UZ為10～12V。

穩(wěn)定電流常作為穩(wěn)壓管的最小穩(wěn)定電流IZmin來(lái)看待。一般小功率穩(wěn)壓管可取IZ為5mA。如果反向工作電流太小，則會(huì)使穩(wěn)壓管工作在反向特性曲線(xiàn)的彎曲部分，從而使穩(wěn)壓特性變壞。

2)最大穩(wěn)定電流IZmax和最大允許耗散功率PZM

這兩個(gè)參數(shù)都是為了保證管子安全工作而規(guī)定的。最大允許耗散功率PZM=UZIZmax。如果管子的電流超過(guò)最大穩(wěn)定電流IZmax，則會(huì)使管子的實(shí)際功率超過(guò)最大允許耗散功率，管子將會(huì)發(fā)生熱擊穿而損壞。

3)電壓溫度系數(shù)av

電壓溫度系數(shù)是說(shuō)明穩(wěn)定電壓UZ受溫度變化影響的系數(shù)。例如，2CW18穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)為0.095%/℃，就是說(shuō)溫度每增加1℃，其穩(wěn)壓值將升高0.095%。一般穩(wěn)壓值低于6V的穩(wěn)壓管具有負(fù)的溫度系數(shù)，高于6V的穩(wěn)壓管具有正的溫度系數(shù)。穩(wěn)壓值為6V左右的管子其穩(wěn)壓值基本上不受溫度的影響，因此，選用6V左右的管子可以得到較好的溫度穩(wěn)定性。

4)動(dòng)態(tài)電阻rZ

動(dòng)態(tài)電阻是指穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量ΔUZ與相應(yīng)的電流變化量ΔIZ的比值，如圖7-9所示，即

(7-2)

穩(wěn)壓管的反向特性曲線(xiàn)越陡，動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能就越好。rZ的數(shù)值約在幾歐至幾十歐之間。

2．發(fā)光二極管

發(fā)光二極管通常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物(如砷化鎵、磷化鎵等材料)制成。發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦?。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色取決于所用材料，目前有紅、綠、黃、橙等色，管子外形可以制成長(zhǎng)方形、圓形等形狀。其符號(hào)及電路如圖7-10所示。圖7-10發(fā)光二極管電路

3．光電二極管

光電二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管類(lèi)似，使用時(shí)光電二極管的PN結(jié)工作在反向偏置狀態(tài)，在光的照射下，反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升(這時(shí)的反相電流叫做光電流)，所以，光電二極管是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。光電二極管的符號(hào)如圖7-11所示。另外，光電流還與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。圖7-11光電二極管的符號(hào)7.3二極管的應(yīng)用

7.3.1整流電路

整流就是把大小、方向都隨時(shí)間變化的交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)的電路稱(chēng)為整流電路。常見(jiàn)的整流電路有單相半波、全波、橋式整流電路等。

1．半波整流電路

利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，在電路中只用一個(gè)二極管就可以實(shí)現(xiàn)半波輸出。具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖7-12所示。圖7-12單相半波整流電路如果輸入信號(hào)為正弦波，則由于二極管的單向?qū)щ娦?，在輸入信?hào)為正半周時(shí)，VD導(dǎo)通，這時(shí)負(fù)載電阻RL上的電壓為uo，在輸入信號(hào)的負(fù)半周，二極管反向截止，負(fù)載電阻RL上沒(méi)有電壓輸出。如果忽略二極管的導(dǎo)通壓降，在負(fù)載上獲得的輸出電壓波形如圖7-13所示。圖7-13單相半波整流電路的輸出波形負(fù)載上得到的整流之后的電壓是單向的，但其大小是變化的，這就是所謂的單向脈動(dòng)電壓。通常用一個(gè)周期的平均值來(lái)說(shuō)明它的大小。輸出電壓的平均值為

(7-3)

式中，U為輸入正弦信號(hào)的有效值。

2．全波整流電路

單相半波整流的缺點(diǎn)是只利用了電源的半個(gè)周期。將兩個(gè)半波整流電路組合起來(lái)，便可形成一個(gè)全波整流電路，其電路如圖7-14所示。

在該電路中，二極管VD1、VD2在正、負(fù)半周輪流導(dǎo)電，且流過(guò)負(fù)載RL的電流為同一方向，故在正、負(fù)半周，負(fù)載上均有輸出電壓。顯然，全波整流電路的整流電壓的平均值Uo(av)比半波整流時(shí)增加了一倍，即Uo(av)=0.9U2，二極管所承受的最大反向電壓為變壓器副邊電壓信號(hào)幅值的兩倍，即UV1(max)=2

U2。

圖7-14單相全波整流電路及其輸出波形

3．橋式整流電路

單相橋式整流電路由四個(gè)二極管接成電橋的形式組成。橋式整流電路如圖7-15(a)所示，圖(b)是它常用的簡(jiǎn)化畫(huà)法。圖7-15單相橋式整流電路在變壓器副邊電壓的正半周，其極性為上正下負(fù)，即二極管VD1與VD2導(dǎo)通，VD3與VD4截止，這時(shí)負(fù)載電阻上得到一個(gè)上正下負(fù)的半波電壓；在變壓器副邊電壓的負(fù)半周，其極性為上負(fù)下正，即二極管VD3與VD4導(dǎo)通，VD1與VD2截止，這時(shí)負(fù)載電阻上仍得到一個(gè)上正下負(fù)的半波電壓，其輸出波形如圖7-16所示。圖7-16單相橋式整流電路的電壓與電流波形7.3.2限幅電路

利用二極管的單向?qū)щ娦院蛯?dǎo)通后兩端電壓基本不變的特點(diǎn)，可組成限幅(削波)電路，用來(lái)限制輸出電壓的幅度。

圖7-17(a)所示為一單向限幅電路。圖中，ui為正弦信號(hào)，其幅值大于直流電源電壓E。當(dāng)ui>E時(shí)，二極管VD截止，輸出電壓uo=E；當(dāng)ui<E時(shí)，V正向?qū)?，uo=ui。

uo的波形如圖7-17(b)所示。由圖可見(jiàn)，只有uo的正半周的幅度受到了限制，而負(fù)半周的幅度沒(méi)有受到限制，故該電路稱(chēng)為單向限幅電路。圖7-17二極管單向限幅電路圖7-18(a)所示為一雙向限幅電路。其中，直流電源電壓E1=E2，ui為正弦信號(hào)，其幅值大于直流電源電壓。

當(dāng)E1>ui>0時(shí),二極管VD1、VD2均截止,輸出電壓uo=ui;

當(dāng)ui>E1時(shí)，VD1正向?qū)?，VD2仍截止，uo=E1。

在負(fù)半周當(dāng)|ui|<E2時(shí)，二極管VD1、VD2均截止，輸出電壓uo=ui；當(dāng)|ui|>E2時(shí)，VD2正向?qū)?，VD1仍截止，uo=－E2。

uo的波形如圖7-18(b)所示。由圖可見(jiàn)，uo的正、負(fù)半周的幅度同時(shí)受到了限制，故該電路稱(chēng)為雙向限幅電路。

圖7-18二極管雙向限幅電路7.3.3開(kāi)關(guān)電路

由于二極管具有單向?qū)щ娦?，所以在?shù)字電路中經(jīng)常把它當(dāng)作開(kāi)關(guān)使用。

圖7-19(a)給出了二極管組成的開(kāi)關(guān)電路圖，圖(b)為二極管導(dǎo)通狀態(tài)下(U>0時(shí))的等效電路，圖(c)為二極管在截止?fàn)顟B(tài)下(U<0時(shí))的等效電路，圖中忽略了二極管的正向壓降。圖7-19二極管組成的開(kāi)關(guān)電路圖及其等效電路7.3.4穩(wěn)壓電路

由穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路是一種最簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電路。在圖7-20中，穩(wěn)壓電路由限流電阻R和穩(wěn)壓管VZ構(gòu)成。當(dāng)電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)或者負(fù)載電阻(電流)變化時(shí)，該穩(wěn)壓電路能自動(dòng)維持負(fù)載電壓Uo基本穩(wěn)定。圖7-20穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路假設(shè)負(fù)載不變，當(dāng)交流電源電壓突然增加時(shí)，整流輸出電壓Ui增加，負(fù)載電壓Uo也隨之增大。但是對(duì)于穩(wěn)壓管而言，Uo即加在穩(wěn)壓管兩端的反向電壓，該電壓的微小變化將會(huì)使流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ顯著變化，因此IZ將隨著Uo的增大而顯著增加，使流過(guò)電阻R的電流增大，導(dǎo)致R兩端的壓降增加，Ui的增加電壓絕大部分降落在R上，負(fù)載電壓Uo保持近似不變。相反，當(dāng)交流電源電壓減低時(shí)，上述電壓、電流的變化過(guò)程剛好相反，負(fù)載電壓Uo亦保持近似不變。假設(shè)整流輸出電壓Ui不變，當(dāng)負(fù)載電流IL突然增大(負(fù)載降低)時(shí)，電阻R上的壓降增大，導(dǎo)致負(fù)載電壓Uo下降，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ顯著減少，從而使IR基本不變，電阻R上的壓降近似不變，因此負(fù)載電壓Uo保持穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載電流減少時(shí)，穩(wěn)壓過(guò)程類(lèi)似。

穩(wěn)壓管的選取一般按照以下規(guī)則來(lái)執(zhí)行：

(7-4)小結(jié)

一、基本要求

1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

2.了解二極管和穩(wěn)壓管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要特性曲線(xiàn)，理解其主要參數(shù)的意義。

3.了解整流電路和由穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路的工作原理。

二、內(nèi)容提要

1．半導(dǎo)體有自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體的載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生，電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，其濃度隨溫度升高而增加。雜質(zhì)半導(dǎo)體的多子主要由摻雜產(chǎn)生，濃度很大且基本不受溫度影響，少子由本征激發(fā)產(chǎn)生。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要由多子濃度決定，因此比本征半導(dǎo)體大大改善。本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素雜質(zhì)，則成為N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子。本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素雜質(zhì)，則成為P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。

2．PN結(jié)零偏時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)