电工学少学时唐介第8半导体器件、直流稳压电源

二、伏安特性
I 2、反向特性：
反向击穿
电压U(BR)
正向特性
P+ – N
U
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N 反向特性
反向饱和电流：
硅管：几μA 锗管：几百μA
外加电压大于反向击穿电压时，反向电流剧增，二极管被 反向击穿。此时二极管的单向导电性被破坏，甚至会因过热而 烧坏
3、近似和理想伏安特性
的值。（1） VA VB 3V (2)VA 3V, VB 0
6V
(3)VA VB 0
VA DA
R VF
VB DB
例2： D
A +
3k
6V
UAB
12V
– B
电路如图，求：UAB
取 B 点作参考点， 断开二极管，分析二 极管阳极和阴极的电 位。
V阳 =－6 V V阴 =－12 V V阳>V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 否则， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V
UZ
IZ
IZmin IZmax
稳压
使用时要加限流电阻
误差
3. 稳压过程分析 I UI
I0
R
DZ
IZRL Uo
U0 U I IR U I R(IZ I0 )
当电源电压波动时：
U I U0 UZ IZ IR U0
当负载电流波动时：
I0 ↑ IR → U0 ↓→ I0 ↓
V1阳
=－6
12V
V，V2阳=0
–B
V，V1阴
=
V2阴=
－12
V
在这里， D2 起箝位作用， D
UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。
1起隔离作用。
若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V
流过 D2 的电流为
12 ID2 3 4mA
D1承受反向电压为－6 V
正向导通，反向截止。
二极管的应用
应用一、箝制电位作用 应用二、隔离作用 应用三、限幅作用 应用四、整流作用
8.3 特殊二极管
一、稳压二极管 1. 符号
利用二极管的反向特性工作I
曲线越陡，
2. 伏安特性
电压越稳定
稳压管正常工
作时加反向电压
UZ
O
U
稳压管反向击穿 后，电流变化很大，但 其两端电压变化很小， 利用此特性，稳压管在 电路中可起稳压作用。
学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况， 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近 似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结 果。
对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标， 就不要过分追究精确的数值。
器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有
误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方 法。
3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失 去单向导电性。
4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反 向电流愈大。
二极管电路分析
定性分析：判断二极管的工作状态
导通 截止
若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，
反向截止时二极管相当于断开。
否则，正向管压降
硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
重点：二极管的特性及其应用，稳压管电路的工作原 理，晶体管工作状态和特性曲线。
难点：整流、滤波，晶体管的放大原理。
8.1 半导体的基础知识
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。 如：硅、锗、砷化镓和一些硫化物、氧 化物等。
结构特点：最外层电子（价电子）都是四个。
半导体的主要特点：
当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显
+
P
I
变窄
－+ －+ －+
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
_
N
－ 外电场
+
扩散运动〉漂移运动
内电场
R
E
（2）PN 结反向偏置
变厚
_
P
I≈0
－－ －－ －－
++ ++ ++
内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反
向电流。 +
N
－－ + +
5
思考：当Us 分别为 2 V、4 V，而 ui 分别为3 V、 3sinωt V 时，uo 的波形又将如何？
应用四、整流的作用
定义： 交流
整流 逆变
直流
利用二极管的单向导电性将交流电变换为脉动的直流电。
（1）单相半波整流
ui
t
ui
RL
uo uo
t
特点：只利用了半个周期。
本课小结
二极管的特性：单向导电性
扩散运动〈 漂移运动
内电场
外电场
R
E
通过分析可知 ☺ PN结具有单向导电性 正向偏置时，PN结处于导通状态 呈现正向电阻很小，电流较大
反向偏置时，PN结处于截止状态 呈现反向电阻很大，电流较小
反向电流受温度影响较 大
8.2 半导体二极管
一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
触丝线
应用二、隔离的作用：二极管截止时相当于开路，
可用来隔断电路或信号之间的联系。
例5： R
+
D
ui
–
US
+ uo
已知： ui 3sin t V
US=2V，二极管是理想的，
– 试画出 uo 波形。
ui
参考点
应用三、限幅的作用：
3V
将输出电压的幅值限
2V
制在某一数值。
t二极管阴极电位为 2 V
ui > 2V，二极管导通，可看作短路 uo = 2V ui < 2V，二极管截止，可看作开路 uo = uiP216 图8.2.
锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。
二极管的单向导电性
1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、 阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极 管正向电阻较小，正向电流较大。
2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、 阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极 管反向电阻较大，反向电流很小。
电阻的作用
I UI U0 R
限制稳压管电流不会超过 IZ max
起到电压调节作用。
i
iL
稳压二极管的应用举例
R
稳压管的技术参数:
ui
DZ
iZRL uo
UzW 10V, Izmax 20mA,
在这里，二极管起箝位作用。
例3:电 路 如 图 所 示，设 二 极 管 D1，D2，D3 的 正 向 压 降 忽 略 不
计，求 输 出 电 压 uO。
12V
0V
D1
6V D2
R
+ -
uO
D3
2V
例4: D2
求：UAB
D1
两个二极管的阴极接在一起
A +
取
B
点作参考点，断开二极管，
6V
3k UAB 分析二极管阳极和阴极的电位。
第 8 章半导体器件、 直流稳压电源
8.1 半导体的基础知识 8.2 半导体二极管
特殊二极管
8.3 直流稳压电源的组成 8.4 整流电路 8.5 滤波电路 8.6 稳压电路 9.1 双极型晶体管
教学要求：
1.了解半导体的基本概念。了解二极管、稳压管的基本 结构、工作原理、工作状态和特性曲线。掌握二极管的 特性，理解其主要参数的物理意义。掌握其主要应用领 域。 2.理解整流电路、滤波电路和稳压管电路的工作原理。 3.了解双极型晶体管的基本结构，掌握晶体管的种类、 工作原理、工作状态和特性曲线。了解其主要参数。
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位
的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通
若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
二极管的应用
应用一、箝制电位的作用：将电路某点的电位箝制 在某一数值。
例1：已知：DA和DB为硅二极管，求下列情况下输出端电位VF
改变。
一、本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本 征半导体。
价电子
Si
Si
共价键
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结 构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为价电子或束
（a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
2. 在杂质半导体中少子的数量与b
（a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
3. 当温度升高时，少子的数量 c
（a. 减少、b. 不变、c. 增多）。
4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电
流
b
a
主要是
，N 型半导体中的电流主要
是
。
（a. 电子电流、b.空穴电流）
三、PN结及其单向导电性
电子技术
1、性质：是一门技术基础课。
2、特点：a、非纯理论性课程 b、实践性很强 c、以工程实践的观点处理电路中的一些问题
3、内容：以器件为基础，以信号为主线，研究各种电 路的工作原理、特点及性能指标等。
4、目的：了解一般的常用器件，掌握对基本电子电路 的分析方法及计算方法。
电子技术
主要教学内容：器件与电路及应用
I
（1）近似特性
考虑二极管导通电压时的伏安特性
UD =
硅管：0.6-0.7V 锗管：0.2-0.3V
0
UD
U
（2）理想特性
忽略二极管导通电压时的伏安特性 I
UD = 0
U
0
三、主要参数 选择和使用二极管的依据
1. 额定正向平均电流（最大整流电流 ）IF
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。
自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定 温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流 子便维持一定的数目。
注意：
(1)本征半导体中存在数量相等的两种载流子， 即带负电的自 由电子和带正电的空穴。 (2)本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体 中载流子数目极少, 其导电性能很差。 (3)温度愈高，载流子的浓度越高，载流子的数目就越多,半导 体的导电性能也就越好。所以，温度是影响半导体性能的一个 重要的外部因素， 这是半导体的一大特点。
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。
1.PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和
N 型半导体，经过载流子的扩散、漂移，在它们的交 界面处就形成了PN 结。
扩散运动：多数载流子由浓度差形成的运动。
漂移运动：少数载流子在内电场作用下形成的运动。
2.PN结的特性
（1）PN 结正向偏置
Si 空穴
Si
温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。
价电子
在外电场的作用下，空穴吸引相 邻原子的价电子来填补，而在该原子中 出现一个空穴，其结果相当于空穴的运 动（相当于正电荷的移动）。
本征当半半导导体体两的端导加电上机外理电压时，在半导体中将出现两部分电
流
(1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。
扩散和漂移这一对相反的运动
漂移使空间电
最终达到平衡，空间电荷区的
漂移运动 厚度固定不变。
荷区变薄。
P型半导体
称为PN结 内电场 N型半导体
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + +
空间电荷区， 也称耗尽层。
二极管
模 拟 电
电子元器件 三极管 集成电路
子
放大电路
技 术
电子电路及其应用 滤波电路
电源
电子技术的应用
信号检测 ◆ 压力、温度、水位、流量等的测量与调节 ◆ 电子仪器
••••••
智能小区
对于元器件，重点放在特性、参数、技术指 标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨 论器件的目的在于应用。
缚电子。
本征半导体的导电机理
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全
被共价键束缚着，没有可以运动的带电粒子（即载流子），
它的导电能力为 0，相当于绝缘体。
自由电子
价电子在获得一定能量（温度升
高或受光照）后，即可挣脱原子核的束
缚，成为自由电子（带负电），同时共
Si Si
价键中留下一个空位，称为空穴（带正 电）。这一现象称为本征激发。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2. 正向电压降UF IF所对应的电压。
3. 最高反向工作电压UR
指不被击穿所允许的最大反向电压，手册上给出的最高
反向工作电压 U R
4. 最大反向电流
1 = IRm2
(or
2 3
)UB
指二极管加UR工作时的反向电流。反向电流大，说明管
子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温
度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，
点接触型
PN结
引线 外壳
基片
二极管的电路符号： P
面接触型
N
二、伏安特性
1、正向特性：当正向电压超过死区电压后，二极管
导通
I
正向特性
特点：非线性
P+ – N
P– + N 反向特性
导通压降 硅0.6~0.8V 锗0.2~0.3V
U
硅管0.5V, 死区电压
锗管0.1V。
外加电压大于死区电压 二极管才能导通。
二、 杂质半导体 定义：渗入杂质的半导体。
靠空穴导电
P 型半导体：形成：在本征半导体中渗入少量的 3 价元素
空穴数量 >> 自由电子数量 与浓度有关 多数载流子 少数载流子 与温度有关
N 型半导体： 自由电子数量 >>空穴数量
形成：在本征半导体中渗入少量的 5 价元素
靠自由电子导电
1. 在杂质半导体中多子的数量与a