项目1 线性集成直流稳压电源的设计与制作

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－
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I
P
R
空 间 电 荷 区
N
+ 在一定的温度下，由本 － － － －
+ + +
+ + +
多子扩散电流 总电流＝0
2. PN结的单向导电性
(1) 加正向电压(正偏)—电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体 － － － － － － － － － －
正向电流 －
四、二极管应用电路分析
二极管的理想模型
所谓理想二极管即： 1.正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为 2.反向截止时，反向电流为零，反向击穿电压为无穷大。 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
特性
iD
uD
符号及等 效模型
S
S
正偏导通，uD= 0 ; 反偏截止， iD= 0 U(BR)= ※工程实践中，当二极管的正向压降远小于和它串联 的电压，反向电流远小于和它并联的电流时，认为二极 管是理想的。
耗尽层 势垒层
+ + +源自文库
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少子漂移电流
多子扩散电流
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移
多子扩散
又失去多子，耗尽层宽，E 内电场E N型半导体 P型半导体 耗尽层
－ － －
－ － －
－ － －
－ － －
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
少子漂移电流 动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流
小 结
理想二极管：
正偏导通 电压降为零 相当开关合上 反偏截止 电流为零 相当开关断开
恒压降模型：
正偏电压 UD(on)时导通 等效为恒压源 UD(on) 否则截止，相当于二极管支路断开
五、特殊二极管
稳压二极管
1. 伏安特性
符号 特性
iZ /mA
UZ
IZ
UZ 1）稳定电压 UZ 流过规定电压时稳压管两端的反向电压值。 2）稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。 3） 最大工作电流 IZM ； 最大耗散功率 PZM P ZM = UZ IZ
+ + + IR
征激发产生的少子浓度是 － － － － 一定的，故 I 基本上与外 － － － R － 加反压的大小无关，所以
+ +
称为反向饱和电流。但IR
与温度有关。
EW
内电场 E
R
PN结加正向电压时，具有较大的正向扩 散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂 移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电 性。
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化
复合现象 激发和复合矛盾
由于本征激发产生的电子 空穴对的数目很少，则本 征半导体中载流子浓度很 低，其导电能力很弱。
热敏和光敏特性
掺杂特性
三、杂质半导体
掺入杂质（微量有用）的半导体 1. N型半导体（电子型） 本征硅(或锗)中掺
入少量的五价元素
(如磷、砷、锑等)， 多数载流子是电子， 少数载流子（本征激 发引起）是空穴。
UD(on) R UO
IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA) 理想 UO = VDD = 2V 恒压降 UO = VDD – UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V) IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA) VDD= 10V IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 理想 (mA) 恒压降 UO = 10 0.7 = 9.3 (V) IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA) 结论： VDD 大采用理想模型 VDD 小用恒压降模型
R
ui 较小，宜采用恒压降模型
ui
V1 ui / V 2
O
V2
uO
0.7V< ui < 0.7V
V1、V2均截止 ui 0.7V uO＝ ui
t
uO/ V
V2导通V１截止 uO＝ 0.7V ui < 0.7V V1导通V2截止
0.7
思考题:
t
uO＝ 0.7V
0.7
O
V1、V2支路各串联恒压源， 输出波形如何？
二、半导体二极管的伏安特性
i
实验曲线
击穿电压UBR
0 反向饱和电流
锗
(1) 正向特性 i
u
V
mA
u
导通压降
死区 电压
E
硅：0.7 V 锗：0.3V
(2) 反向特性 i u
V
uA
硅：0.5 V
锗： 0.1 V
E
1.
当正向电压较小时 , 正向电流极小（几乎为零） , 这一部分称为 ,相应的A(A′)点的电压称为 电压或门槛电压(也称阈值电压), 硅管约为 V,锗管约为 V,如图中OA(OA′)段。 当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈 现很 电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为 V,锗管约为 V,如图中AB(A′B′)段。
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。 硅原子 电子空穴对 空穴 － －
+4
空穴
+4
+4
－
P型半导体 － － － － － －
+4
+3
+4
－ －
－ 受主离子
+4
硼原子
+4
+4
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
杂质半导体的示意图
多子—空穴 P型半导体 － － － － － － － － － － 多子—电子
反向电流 OC（OC’）段。
,且
反向电压而变化。
此时的电流称之为
IR, 见图中
3.反向击穿特性
由伏安特性看出，当反向电压超过 UBR 后稍有 增加时，反向电流急剧增加, 这种现象称为 i , UBR称为 。
4.温度对特性的影响 温度升高时二极管正向特性曲线向左 移动 , 正向压降减小 ; 反向特性曲线 向下移动,反向电流增大。
点接触型 面接触型 平面型
正极 负极 引线 引线
N型锗
金锑 合金 底座
p N
P型支持衬底
外壳
负极引线 触丝
面接触型
集成电路中平面型
点接触型
• 按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、 变容、阻尼等二极管 • 按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。 • 按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极 管。
2.工作条件：反偏 3. 主要参数
IZminuZ/V IZ IZmax
O
4） 动态电阻 rZ= UZ / IZ越小稳压效果越好，几 几十
发光二极管LED(Light Emitting Diode) ——电能转换为光能 符号 1. 符号和特性
2. 工作条件：正偏 i /mA
特性
热激发现象 是指什么？ 半导体的 特点？
为什么本征半 导体导电能力 很弱？
杂质半导体有 哪两种？各自 特点是什么？
PN结的特 点是什么？
二极管基本知识
（一） 二极管结构、符号和类型
二极管类型
硅二极管 按材料分 锗二极管 砷化镓二极管
铝合金 小球 正极 引线 N型锗片 负极 引线
按结构分
正极引线 PN结
输入为高电平时，经过非门变成 低电平，发光二极管正向导通， 亮； 输入为低电平时，经过非 门变成高电平，发光二极管反向 截止，不亮。
光敏二极管——光能转换为电能
二、本征半导体－－化学成分纯净的 单晶结构半导体 1.硅和锗简化原子结构模型 硅和锗都是四价元素，原子最外层有 4 个价电子。
si
硅原子
+4 +4
Ge Ge
硅和锗最外层轨 道上的四个电子 称为价电子。
锗原子
2.本征半导体共价键晶体结构
把硅或锗材料制成单晶体时 , 价电子不仅受到自身原子 +4 +4 +4 核的约束，还要受到相邻原 子核的吸引，使得每个价电 子为相邻原子所共有，从而 +4 +4 +4 形成共价键。 在T=0K时，所有的价电 +4 +4 +4 子被共价键紧紧束缚在共 价键中，不会成为自由电 束缚电子 子，故本征半导体导电能 本征半导体的共价键结构 力很弱，接近绝缘体。
O
一般工作电流几十mA， 导通电压1 2V
3. 发光类型： 可见光：红、黄、绿 不可见光：红外光
2
u /V
发光二极管LED(Light Emitting Diode)
显示类型： 普通LED
七段LED
点阵LED
发光二极管应用
输出电平指示
输入为高电平时，经过非门变成低 电平，发光二极管反向截止，不亮； 输入为低电平时，经过非门变成高 电平，发光二极管正向导通，亮。
N型半导体 + + + + + +
+
+
+
+
+ +
－
－
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关
三、PN结及单向导电特性
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区 形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E
P型半导体 空间电荷区 N型半导体 － － － － － － － － － － － －
T
－UBR 0 T u
三、半导体二极管的主要参数 1. 最大整流电流IF是二极管允许通过的最大正 向平均电流。超过ＩＦ, 二极管将过热而烧毁。 2.最大反向工作电压ＵＲM：二极管允许的最大 工作电压。当反向电压超过此值时, 二极管 可能被击穿。为了留有余地, 通常取击穿电 压的一半作为ＵＲM。
3. 反向饱和电流IR指二极管未击穿时的反向电 流值。 （越小单向导电性越好） 4. 最高工作频率fM（超过时单向导电性变差）
＋4
＋4
＋4 杂质原子提供 的多余的电子
＋4
＋5
＋4 杂质正离子
＋4
＋4
＋4
(a)
N型半导体（电子型）
硅原子 电子空穴对 自由电子
+4
多余电子
+4
+4
+
N型半导体 + + + + + + + + +
施主离子
+4
+5
+4
+ +
+4
磷原子
砷等
+4
+4
多数载流子——自由电子 少数载流子 —— 空穴
2.P型半导体（空穴型）
当温度升高或受到光的
+4
+4
+4
照射时，束缚电子能量增
高，有的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参与导电
+4
空穴
+4
自由电子
+4 ，成为自由电子。
自由电子产生的同 时，在其原来的共价键
+4
+4
+4
中就出现了一个空位，
称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发
2) 本征激发产生的载流子－－电子和空穴
+4
二极管的恒压降模型
iD 0.7 V (Si) 0.2 V (Ge)
uD = UD(on)
uD
UD(on)
UD(on)
二极管电路分析举例 例1. 1 硅二极管，R = 2k，分别用二极管理想模型和恒
压降模型求出VDD = 2V 、 10V 时 IO 和 UO VDD IO R UO VDD IO R UO VDD IO
IO= UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)
I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)
I1= IO + I2= 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)
例1. 3 ui = 2 sin t (V), 分析二极管的限幅作用。
iV / mA B′
锗
B
硅
15 10 IR 5 O A′ －5
－U(BR) C C′
－30
A uV / V
0.2 0.4 0.6 0.8
D
D′
(A)
二极管正向导通时,要特别注意它的正向
电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。
2.
二极管两端加上反向电压时,在开始很
大范围内,二极管相当于非常 的电阻,
+4
+4
+4
空穴
+4
自由电子
+4
+4
电子空穴对
+4
+4
本征激发产生电子空穴对
电子－－带负电，
它能自由移动
空穴－－带正电， 它靠正离子吸引附 近自由电子而移动
3) 导电原理
－
E
+4 +4
＋
自由电子
+4 +4 +4
+4
+4
+4
+4
载流子
自由电子 带负电荷 电子流 空穴 带正电荷 空穴流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
课程名称：模拟电子技术
主讲人：杨淼
项目1 设计与制作线性集成直流稳压电源 直流稳压电源各组成部分作用:
滤波 有波纹的 稳压 直流 交流 整流 脉动 电压 直流电压 直流电压 电压
半导体基础知识
一、半导体的特性 1. 半导体 ―― 导电能力介于导体和 绝缘体之间的物质，常用硅 (Si) 、锗 (Ge)和砷化镓(GaAs)等。 2. 半导体的特性－－热敏性、光敏 性、掺杂性
例1. 2 试求电路中电流 I1、I2、IO和UO的值。 IO I1 解：假设二极管断开
P 15V N
I2 VDD2
1k
R R L
VDD1
3k 12V
UO
3 UN 12 9 (V) 1 3
UP > UN 二极管导通
UP = 15V
等效为0.7 V 的恒压源 UO= VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)