第5章半导体二极管及基本电路

将二极管分为三种 状态——截止、导 通和击穿。
硅二极管的伏安特性
20
硅二极管的伏安特性
锗二极管的伏安特性
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分析：
• 1）正向特性： • OA段：当 UF ＜ UT （死区电压）时外电场不 足
以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故 正向电流 IF 很小(I F ≈0)， D处于截止状态。
• 硅(Si)：U T ≈0.5V; 锗(Ge): U T ≈0.1V。 • AB段：当 U F ＞U T后， Ed↓↓→扩散运动↑ ↑ → I
半导体三类。
• 1.导体：电阻率很低、电流易通过、导电性强的物
体。
• 2.绝缘体：电阻率很高、电流不通过、无导电能力
的物体。
• 3.半导体：它的导电能力介于导体和绝缘体之间的
物体。
• 半导体是如何导电的？怎样提高其导电能力？
2
一. 本征半导体
半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组成某 种形式的晶体点阵，这种半导体称为本征半导体。 也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。
• 一般情况下，锗管反向电流I R＞硅管I R反向电流。
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综述：
• 1）二极管的 V—A 特性为非线性；
• 2）当
时，且 U D ＞U T ，则 D 导通；
• 3）当 -U BR ＜ U D ＜ U T ，有I R ≈0，则D 截
止；
• 4）当
时，且 绝对值U R ＞ U BR ，则
反向击穿烧坏。
U DR M 2 U 2 (6 .4 ) • 4）整流元件的选择
根据ID、 UDRM 选择合适的整流元件D;
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2. 单相桥式整流电路
• 1）. 电路组成： 原理图如图所示
单相桥式整流电路图
40
2）工作过程
• 当u2 ＞0 (正半周)，D1、D3导通，D2、D4
截止。i2的通路是a → D1 → RL → D3 → b;
极管。
微分电路
整流作用
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• 例 2. 开关电路如图所
示，当输入端 UA = 3V ， UB = 0 V,试求 输 出端 Y 的电位 UY。
解：
∵ UA = 3V， UB = 0V
∴ DA优先导通， DB 截止；
则 UY = UA－UD =3－ 0.7(0.3)= 2.3( 2.7) V
UA 31
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三. P N 结
•多数载流子要从浓度大
的 区域扩散到浓度小 的区域，形成空间电荷
区--PN结，产生电场， 称为内电场 Ed ；
•内电场对多数载的扩散
运动起阻挡作用，对少 数载流子又起推动作用， 这种少数载流子在内电 场作用下有规则的运动 称为漂移运动。
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1. PN结的形成 扩散运动
随Ed
漂移运动
达到动态平衡
形成稳定的PN 结
Ed 不变化
注意：
1）空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移 动，不参与导电。因区域内的载流子极少，所 以空间电荷区的电阻率很高。
2）内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用， 所以空间电荷区--PN结又称为阻挡层或耗尽层。
14
2. P N 结的单向导电性
1）PN 结加正向电压
F ↑ ↑ → D 导通。
• D导通时的正向压降，硅管约为(0.6~0.7)V，锗管
约为(0.2~0.3)V。
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2） 反向特性
• OC段：当 U R ＜ U BR （击穿电压）时，
扩散
Ed
I R 很小
D 截止。
漂移
• CD段：当 U R ＞ U BR 后， PN结被击穿，
随△ U
IR
D 失去单向导电性。
内电场 Ed
PN 结变窄 多子扩散运动 少子漂移运动
形成正向电流 I
PN 结导通 （ PN 结呈现 R )
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2） PN 结加反向电压
16
2） PN 结加反向电压
加反向电压
P区接负极 N区接正极
内电场 Ed
PN 结变宽
多子扩散运动 少子漂移运动
形成反向电流 I
PN 结截止 （PN 结呈现反向R ）
由此得知：
• 1）稳压管的 V—A 特性为非线性，且反向特性很
陡，；
• 2）稳压管有导通、截止、击穿三个状态，常工作
于反向击穿状态。
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二. 主要参数
1). 稳定电压 UZ
• DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是它的
反向击穿电压。
2). 稳定电流 IZ
• DZ在稳定电压工作管子中的工作电流。
3). 动态电阻 rZ
•加在PN结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的
变化，说明PN结具电容效应。PN结的结电容的数 值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考 虑PN结的结电容作用。
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5.2 半导体二极管
一. 点接触式和面接触式二极管的结构
二极管符号
阳极
D 阴极
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二. 伏安特性（V—A特性) • 二极管的伏安特性
• 结论：
• P N 结具有单向导电性。
• 加正向电压，PN结导通，正向电流较大，结电阻
很低。
• 加反向电压，PN 结截止，反向电流很小，结电阻
很高。 17
3） PN 击穿
•当加在PN结的反向电压超过某一数值（UBR）时，
反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只 要PN结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿 与反向截止两种状态都是可逆的。 4）PN结的电容效应
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5. 4 稳压二极管（DZ)
• 稳压二极管的工作机理是
DZ
利用PN结的击穿特性。
一. V—A特性、符号、状态
DZ
30
分析：
1）稳压管的正向特性与二极管相同。
2）稳压管的反向特性
•
OA段 时，I
Z：很当小，0＜稳U压＜管U截Z （止反；向击穿电压，数值较小）
• A虽 △BU段△Z ：变I Z当化变很化U≥小范U；围Z 体很时现大，了，稳稳但压压管D特Z反稳性向压。击管穿两，端I 的Z 很电大压，
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三. 主要参数
1）最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时，允许流过二极
管的最大正向平均电流。 2）最高反向工作电压 U R M
保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。 U R M=（击穿电压）/ 2 3）最大反向电流 I R M
当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的 反向电流。 I R M越小，单向导电性好。
IOU R O L0.9U R L 2(6.6)
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• (3) 二极管中的平均电流ID
IDID i 1 2IO0.4U R 5L 2(6.7) • (4) 二极管承受的最大反向电压UDRM
2 U20.4U 52(6.1)
• (2) 单相半波整流电流的平均值IO
IOU R O L0.4U R 5L 2(6.2)
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• (3) 二极管中的平均电流ID
IDIO0.4U R 5L 2(6.3) • (4) 二极管承受的最大反向电压UDRM
磷原子的结构
硅晶体中掺磷出现自由电子
8
• 半导体中的自由电子数目大
量增加，于是有：
• 自由电子数 ＞＞ 空穴数 多
数载流子 少数载流子
• 以自由电子导电作为主要导
电方式的半导体，称为电子 半导体或 N 型半导体（N — type semiconductor ) 。
N 型半导体示意图
9
硅
2. P 型半导体
400
电路的逻辑关系为或逻辑 531
二极管具有钳位作用
600
例 2图
UB
U
0 0 2.31
31 2.31
31 2.31
00 -0.07
28
• 例 3. 限幅（削波）
作用电路如图所示，
ui 2Usint
求 uo 及画出波形。
解：1）当 ui ＞E 时， D导通；
∴ uo = UD + E≈ E 2) 当 ui ＜E 时, D截止， ∴ uo = ui
变比K= U1 U2
额定容量SN=UN2IN2
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二、 整流电路
• 1. 单相半波整流电路 • 1）. 电路组成
波形图
• 2）工作原理
• u1 经Tr
u2
u2 ＞0 u2≤0
D导通 uo = u2 ;
D截止 uo = 0 ;
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• 3）主要参数 • (1) 单相半波整流电压的平均值UO
U O T 1 0 T u 0 (t)d (t) 2 10 2 U 2Si t( n d t)
共价键中留下一个
空位，称为“空
穴”。 5
2）载流子的形成
• 在外电场的作用下，价电子填补空穴，就好像
空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动 的方向相反，空穴运动相当于正电荷的运动。
• 当加上一定方向的电场后，就会不断有激发、
复合过程，出现两部分的电流，即 电子电流：自由电子作定向运动所形成的电； 空穴电流：被原子核束缚的价电子递补空穴所 形成的电流。
• 自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为载流
子
6
二.杂质半导体
• 杂质半导体——在本征半导体中掺入微
量的杂质(某种元素），而形成的半导体。 N 型半导体
杂质半导体 P 型半导体
7
1. N 型半导体
• 在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素（如
磷元素），如图所示，多余的第五个价电子很容 易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。
晶
体
掺
硼
出
现
硼原子的结构
空 穴
• 自由电子数 ＜＜ 空穴数
少数载流子 多数载流子
• 以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空
穴半导体或 P型半导体 (P —type semiconductor ) 。
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N 型、P 型半导体示意图
N 型半导体
P 型半导体
杂质半导体中多数载流子浓度取决于 掺杂浓度 少数载流子浓度取决于 温度
(a) 锗Ge 的原子结构
(b) 硅Si 的原子结构
3
• 本征半导体导电方式
以硅（Si）元素为例讨论、分析 硅单晶中的共价键结构
41）Βιβλιοθήκη 由电子和空穴的形成• 在外界的影响下 （如热、光、电场、
价空电穴子 自由电子
磁场等），使得其
共价键中的价电子
获得一定能量后，
电子受到激发脱离
共价键，成为自由
电子（带负电），
流电压。
• 3. 滤波电路：减小整流电压的脉动程度，以适
合负载的需要。
• 4. 稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动
时，使直流输出电压稳定。
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一、变压
• 利用变压器将交流电源电压变换为符合整流需
要的电压。
• 变压器结构、符号和参数
铁轭
铁心柱
电u1源
N1N2
原绕组
负载 u2 副绕组
i1
i2
u1 N1 N2 u2
第5章 半导体二极管 及基本电路
• 基本要求
理解 P N 结的单向导电性，理解二极管、稳 压管的工作原理，掌握分析二极管、稳压管电 路的分析方法。
• 基本内容
– 基础知识 – 半导体二极管 – 二极管基本电路及分析方法 – 稳压二极管及电路分析方法
1
5.1 半导体的基础知识
• 按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘体和
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半导体的特点：
⒈ 半导体中存在着两种载流子---自由电子和空穴。 因此，半导体的导电原理明显区别于导体。
⒉ 在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的导 电能力和参加导电的主要载流子的类型。
⒊ 环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例 如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都 有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用 这一特性制造的。
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5.5 二极管和稳压管在直流电源中的应用 • 半导体直流电源的原理方框图。
基本要求：理解单相整流、滤波、稳压电路的
工作原理，掌握设计全波整流、电容滤波电路 的方法。
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图中各环节的功能如下：
• 1. 变压：将交流电源电压变换为符合整流需要
的电压。
• 2. 整流电路：将交流电压变换为单向脉动的直
• 当u2 ＜0 (负半周)，D2、D4 导通，D1、D3
截止。i2 的通路是b → D2 → RL → D4 → a ; 41
单相桥式整流电路波形图
42
3）主要参数
• (1) 单相桥式整流电压的平均值UO
UO21
2
0
u2d(t)
10 2U2Sintd(t)
0 .9 U 2 ( 6 .5 ) • (2) 单相桥式整流电流的平均值IO
• DZ管端电压的变化量与相应的电流变化量的比
值。即
rz △U Z △ IZ
（动态电阻愈小， 稳压性能愈好。）
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例 1.电路如图所示，设稳压管DZ1 和DZ2 的稳定电
压分别为5V和10V, 试求出输出电压UＯ，判断稳压 管所处的工作状态。已知稳压管正向电压为0.7V。 解： 当DZ1 和DZ2断开时， 同时加有25V反向电压。 由于ＵDZ1＜ＵDZ2小， DZ1先被击穿，UO＝5V， 因而DZ1处于击穿状态， DZ2处于截止状态。
25
5.3 二极管基本电路及分析方法
二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、 开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器 件，分析电路时常采用模型分析法。
理想模型
恒压模型
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例 1. 当输入电压为 ui ，
试绘出输出电压 uo 波 形。设U c ( 0+ ) = 0，
tp>> RC ，D为理想二