低频电子线路 第一章 晶体二极管.
完整版电子线路陈其纯主编第一章教案
第1章晶体二极管和二极管整流电路教学重点1•了解半导体的基本知识：本征半导体、掺杂半导体；掌握PN结的基本特性。
2 •理解半导体二极管的伏安特性和主要参数。
3 .了解几种常用的二极管：硅稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等。
4 •掌握单相半波、桥式全波整流电路的电路组成、工作原理与性能特点；了解电容滤波电路的工作原理。
5 •了解硅稳压管的稳压特性及稳压电路的稳压原理。
教学难点1 . PN结的单向导电特性。
2 .整流电路和滤波电路的工作原理。
3 .硅稳压管稳压电路的稳压过程。
学时分配1.1晶体二极管1.1.1晶体二极管的单向导电特性元件：电阻（R）、电容（C）、电感（L）、变压器（T）等器件：晶体二极管、晶体三极管等1 •晶体二极管 (1) 外形如图1.1.1(a)所示，晶体二极管由密封的管体和两条正、负电极引线所组成。
管体外 壳的标记通常表示正极。
(2) 图形、文字符号如图1.1.1(b)所示，晶体二极管的图形由三角 形和竖杠所组成。
其中，三角形表示正极，竖杠表 示负极。
V 为晶体二极管的文字符号。
2 •晶体二极管的单向导电性动画 晶体二极管的单向导电性(1) 正极电位〉负极电位，二极管导通； (2) 正极电位V 负极电位，二极管截止。
即二极管正偏导通，反偏截止。
这一导电特性称为二 极管的单向导电性。
［例1.1.1］图1.1.3所示电路中，当开关 S 闭合后， H 1、H 2两个指示灯，哪一个可能发光？解 由电路图可知，开关 S 闭合后，只有二极管 V 1 正极电位高于负极电位，即处于正向导通状态，所以 H 1指示灯发光。
1.1.2 PN 结二极管由半导体材料制成。
动画 PN 结1 .半导体导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物质。
如硅半导体中，能够运载电荷的的粒子有两种： 载流子：在电场的作用下定向移动的自由电子和空 穴，统称载流子。
如图 1.1.4所示。
2 •本征半导体不加杂质的纯净半导体晶体。
电子电路基础习题册参考答案-第一章
第一章常用半导体器件§1-1 晶体二极管一、填空题1、物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类，最常用的半导体材料是硅和锗。
2、根据在纯净的半导体中掺入的杂质元素不同，可形成 N 型半导体和 P 型半导体。
3、纯净半导体又称本征半导体，其内部空穴和自由电子数相等。
N型半导体又称电子型半导体，其内部少数载流子是空穴；P型半导体又称空穴型半导体，其内部少数载流子是电子。
4、晶体二极管具有单向导电性，即加正向电压时，二极管导通，加反向电压时，二极管截止。
一般硅二极管的开启电压约为 V，锗二极管的开启电压约为 V；二极管导通后，一般硅二极管的正向压降约为 V,锗二极管的正向压降约为V。
5.锗二极管开启电压小，通常用于检波电路，硅二极管反向电流小，在整流电路及电工设备中常使用硅二极管。
6.稳压二极管工作于反向击穿区，稳压二极管的动态电阻越小，其稳压性能好。
7在稳压电路中，必须串接限流电阻，防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。
8二极管按制造工艺不同，分为点接触型、面接触型和平面型。
9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、开关、热敏、发光和光电二极管等二极管。
10、二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱和电流和最高工作频率。
11、稳压二极管的主要参数有稳定电压、稳定电流和动态电阻。
12、图1-1-1所示电路中，二极管V1、V2均为硅管，当开关S与M 相接时，A点的电位为无法确定 V,当开关S与N相接时，A点的电位为 0 V.13图1-1-2所示电路中，二极管均为理想二极管，当开关S打开时，A点的电位为 10V 、流过电阻的电流是 4mA ；当开关S闭合时，A点的电位为 0 V，流过电阻的电流为 2mA 。
14、图1-1-3所示电路中，二极管是理想器件，则流过二极管V1的电流为，流过V2的电流为 ,输出电压U0为 +5V。
15、光电二极管的功能是将光脉冲信号转换为电信号，发光二极管的功能是将电信号转换为光信号。
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电子电路基础习题册参考答案免费提供（第三版）全国中等职业技术第一章常用半导体器件§1-1 晶体二极管一、填空题1、物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类，最常用的半导体材料是硅和锗。
2、根据在纯净的半导体中掺入的杂质元素不同，可形成N 型半导体和P 型半导体。
3、纯净半导体又称本征半导体，其内部空穴和自由电子数相等。
N型半导体又称电子型半导体，其内部少数载流子是空穴；P型半导体又称空穴型半导体，其内部少数载流子是电子。
4、晶体二极管具有单向导电性，即加正向电压时，二极管导通，加反向电压时，二极管截止。
一般硅二极管的开启电压约为0.5 V，锗二极管的开启电压约为0.1 V；二极管导通后，一般硅二极管的正向压降约为0.7 V,锗二极管的正向压降约为0.3 V。
5.锗二极管开启电压小，通常用于检波电路，硅二极管反向电流小，在整流电路及电工设备中常使用硅二极管。
6.稳压二极管工作于反向击穿区，稳压二极管的动态电阻越小，其稳压性能好。
7在稳压电路中，必须串接限流电阻，防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。
8二极管按制造工艺不同，分为点接触型、面接触型和平面型。
9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、开关、热敏、发光和光电二极管等二极管。
10、二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱和电流和最高工作频率。
11、稳压二极管的主要参数有稳定电压、稳定电流和动态电阻。
12、图1-1-1所示电路中，二极管V1、V2均为硅管，当开关S与M相接时，A点的电位为无法确定V,当开关S与N相接时，A点的电位为0 V.13图1-1-2所示电路中，二极管均为理想二极管，当开关S打开时，A点的电位为10V 、流过电阻的电流是4mA ；当开关S闭合时，A点的电位为0 V，流过电阻的电流为2mA 。
14、图1-1-3所示电路中，二极管是理想器件，则流过二极管V1的电流为0.25mA ，流过V2的电流为0.25mA ,输出电压U0为+5V。
电子电路基础习题册参考答案-第一章讲解
电子电路基础习题册参考答案（第三版）全国中等职业技术第一章常用半导体器件§1-1 晶体二极管一、填空题1、物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类，最常用的半导体材料是硅和锗。
2、根据在纯净的半导体中掺入的杂质元素不同，可形成N 型半导体和P 型半导体。
3、纯净半导体又称本征半导体，其内部空穴和自由电子数相等。
N型半导体又称电子型半导体，其内部少数载流子是空穴；P型半导体又称空穴型半导体，其内部少数载流子是电子。
4、晶体二极管具有单向导电性，即加正向电压时，二极管导通，加反向电压时，二极管截止。
一般硅二极管的开启电压约为0.5 V，锗二极管的开启电压约为0.1 V；二极管导通后，一般硅二极管的正向压降约为0.7 V,锗二极管的正向压降约为0.3 V。
5.锗二极管开启电压小，通常用于检波电路，硅二极管反向电流小，在整流电路及电工设备中常使用硅二极管。
6.稳压二极管工作于反向击穿区，稳压二极管的动态电阻越小，其稳压性能好。
7在稳压电路中，必须串接限流电阻，防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。
8二极管按制造工艺不同，分为点接触型、面接触型和平面型。
9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、开关、热敏、发光和光电二极管等二极管。
10、二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱和电流和最高工作频率。
11、稳压二极管的主要参数有稳定电压、稳定电流和动态电阻。
12、图1-1-1所示电路中，二极管V1、V2均为硅管，当开关S与M 相接时，A点的电位为无法确定V,当开关S与N相接时，A点的电位为0 V.13图1-1-2所示电路中，二极管均为理想二极管，当开关S打开时，A点的电位为10V 、流过电阻的电流是4mA ；当开关S闭合时，A点的电位为0 V，流过电阻的电流为2mA 。
14、图1-1-3所示电路中，二极管是理想器件，则流过二极管V1的电流为0.25mA ，流过V2的电流为0.25mA ,输出电压U0为+5V。
电子线路
P型 型
N型 型
PN结 结
1.2.1 动态平衡下的PN结 动态平衡下的PN结
PN结形成的物理过程 PN结形成的物理过程 开始因浓度差 出现内建电场 利于少子漂移 注意： PN结处于动态平衡时 结处于动态平衡时， 注意： PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电 流相抵消，通过PN结的电流为零。 PN结的电流为零 流相抵消，通过PN结的电流为零。 引起多子扩散 阻止多子扩散 最终达动态平衡 产生空间电荷区
N 型 硅
扩散电流密度: 扩散电流密度
J pd dp ( x ) = − qDp dx
载流子浓度 n(x) no p(x) po x
J nd
dn( x ) = − ( − q ) Dn dx
1.2
PN结 PN结
利用掺杂工艺， 利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子 型半导体和N 级上紧密结合， 区与N区的交界面就形成了PN PN结 级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。 掺杂
ni = AT e
导电能力
3 2
−
Eg 0 2 kT
= pi
热敏特性 光敏特性
ni
1.1.2 杂质半导体 五价元素构成 N型半导体：本征半导体中掺入少量五价元素构成。 型半导体：本征半导体中掺入少量五价元素构成。
+4
+4 +5
简化模型： 简化模型：
自由电子
+4
+4
N型半导体 型半导体
多子——自由电子 自由电子 多子 少子——空穴 空穴 少子
PN结截止 PN结截止
PN结——伏安特性方程式 结 伏安特性方程式
PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述： PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述： 结正
低频电子线路课件
1 VT
I EQ VT
又
gm gbe
re
1
re
gm
gbe
ib vbe
ib gm vbe
62
* 考虑 vce( 引入gce gbc）
g ce
1 rce
iC vCE
Q
vCE
IS
VBE
e VT
1
VCE VA
Q
IS
VBE
e VT
1 VA
Q
IS
VBEQ
e VT
1 VA
VA VA
一、 PN结的基本原理 1.PN结 1）PN结中载流子的运动→空间电荷区
13
*1 漂移电流 *2 扩散电流 *3动态平衡：
14
二.PN结的单向导电性 1、正向特性
15
2、反向特性
16
3、伏安特性
V
I Is (eVT 1)
Is：反向饱和电流； VT：热电压。常温（300k）下， VT=26mV。
I E IF R IR IC IF IR
49
2） 简化电路模型 （硅） VBES=0.7V VBCS=0.4V
VCES=0.3V
饱和条件 IB＞IBS
B
VCES＜0.3V （ VCE= VCB -VEB= VEB
+
-VBC）VBES-
C
+ - VCES E
50
2 截止模式 1）截止条件
B-E反偏，B-C反偏
一般电路模型
+ ίB
ίC +
vBE
βίB vCE
-
-
56
2.5.1 小信号电路模型
1 数学分析
02电子线路《第一章第二节晶体二极管整流电路》(陈其纯主编)
（2）v1负半周时，T次级A点电位低于B点电位，在v2b的 作用下，V2导通（V1截止），iV2自上而下流过RL； 可见，在v1一周期内，流过二极管的电流iV1 、iV2叠加形 成全波脉动直流电流 iL，于是RL两端产生全波脉动直流电压 vL。故电路称为全波整流电路。
3．负载和整流二极管上的电压和电流 （1）负载电压VL
3．负载和整流二极管上的电压和电流 （1）负载电压VL
VL = 0.45 V2
（2）负载电流IL
V L 0.45V 2 IL RL RL
（1.2.1）
（ 1 .2.2）
（3）二极管正向电流IV和负载电流IZ 0.45V 2 （1.2.3） IV IL RL （4）二极管反向峰值电压VRM
（2）v1负半周时，T次级A点电位低于B点电位，在v2b的 作用下，V2导通（V1截止），iV2自上而下流过RL； 可见，在v1一周期内，流过二极管的电流iV1 、iV2叠加形 成全波脉动直流电流 iL，于是RL两端产生全波脉动直流电压 vL。故电路称为全波整流电路。
3．负载和整流二极管上的电压和电流 （1）负载电压VL
1.2.1 单相半波整流电路 1．电路 如图（a） V ：整流二极管，把交流 电变成脉动直流电； T：电源变压器，把v1变成 整流电路所需的电压值v2。
动画 单相半波整流电路
2．工作原理 设v2为正弦波，波形如图1.2.1（b）所示。 （1）v2正半周时，A点电位高于B点电位，二极管V正偏 导通，则vL≈v2； （2）v2负半周时，A点电位低于B点电位，二极管V反偏截 止，则vL≈0。 由波形可见，v2一周期内，负载只用单方向的半个波形， 这种大小波动、方向不变的电压或电流称为脉动直流电。上述 过程说明，利用二极管单向导电性可把交流电v2变成脉动直流 电vL。由于电路仅利用v2的半个波形，故称为半波整流电路。
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2、根据在纯净的半导体中掺入的杂质元素不同，可形成N 型半导体和P 型半导体。
3、纯净半导体又称本征半导体，其内部空穴和自由电子数相等。
N型半导体又称电子型半导体，其内部少数载流子是空穴；P型半导体又称空穴型半导体，其内部少数载流子是电子。
4、晶体二极管具有单向导电性，即加正向电压时，二极管导通，加反向电压时，二极管截止。
一般硅二极管的开启电压约为0.5 V，锗二极管的开启电压约为0.1 V；二极管导通后，一般硅二极管的正向压降约为0.7 V,锗二极管的正向压降约为0.3 V。
5.锗二极管开启电压小，通常用于检波电路，硅二极管反向电流小，在整流电路及电工设备中常使用硅二极管。
6.稳压二极管工作于反向击穿区，稳压二极管的动态电阻越小，其稳压性能好。
7在稳压电路中，必须串接限流电阻，防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。
8二极管按制造工艺不同，分为点接触型、面接触型和平面型。
9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、开关、热敏、发光和光电二极管等二极管。
10、二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱和电流和最高工作频率。
11、稳压二极管的主要参数有稳定电压、稳定电流和动态电阻。
12、图1-1-1所示电路中，二极管V1、V2均为硅管，当开关S与M 相接时，A点的电位为无法确定V,当开关S与N相接时，A点的电位为0 V.13图1-1-2所示电路中，二极管均为理想二极管，当开关S打开时，A点的电位为10V 、流过电阻的电流是4mA ；当开关S闭合时，A点的电位为0 V，流过电阻的电流为2mA 。
14、图1-1-3所示电路中，二极管是理想器件，则流过二极管V1的电流为0.25mA ，流过V2的电流为0.25mA ,输出电压U0为+5V。
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当V>VDon时，PN结导通， 电流有明显的数值； 当V<VDon时，PN结截止， 电流的数值很小。
随温度升高，正向电流增大
随温度升高，导通电压减小， 每升高1 ℃，VD（on）约减小2.5mV
- IS
VD(on) 导通 电压
V(V) 硅PN结VDon=0.7V 锗PN结VDon=0.25V
2
2.8 103 cm 3
15 16
1.1.3 两种导电机理——漂移和扩散 漂移与漂移电流
载流子在电场力作用下的运动称漂移运动，所 形成的电流称漂移电流。
J pt qp P E
半导体的电导率 电压： 电流： V=El I = S Jt
R
截面积S
I
电场E 长度l
+
V
-
漂移电流密度
24
二、内建电位差
内建电场E 内建电场E
P型半导体 － － － － － － － － － － －
耗尽区
N型半导体 + + + + + + + + + － － －
P型半导体 － － － － － － － －
耗尽区
N型半导体 + + + + + + + + +
+ + +
+ + +
－
－
多子扩散电流 少子漂移电流 多子扩散电流 ＝ 少子漂移电流 动态平衡： 总电流＝0
EW
R
EW
R
30
29
三、伏安特性（理想） 小结： PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流（多子），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（少子），呈现高电阻， PN结 截止。 结论：PN结具有单向导电性。
31
理论证明，PN结的正向特性和反向特性可统一由下列 指数函数表示；
例1 一块本征硅片中掺入五价元素砷，浓度Nd
=8×1016 cm-3。 试求室温T=300K时自由电子和空穴的热平衡浓度值。 解： 五价元素砷为施主杂质，形成N型半导体。已知Nd=8× 1016 cm-3，其值远大于ni=1.5×1010 cm-3，故根据电中性条件， 多子电子浓度为：
n0 N d 8 1016 cm 3
N
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
下，由本征激发 产生的少子浓度 是一定的，故IS 基本上与外加反 向电压的大小无 关，所以称为反 向饱和电流。但 IS与温度有关。
－ － －
－ － －
－ － －
－ － －
+ + +
+ + +
+ + +
+ + + ISR
－
内电场 EE 内建电场
内电场 E 内建电场 E
§1.2.2 PN结的伏安特性
伏安特性是PN结的主要特性，它反映了通过 PN结的电流与加在其上的电压之间的关系。 外加正向电压（正偏）正向特性 外加反向电压（反偏）反向特性
27
一、正向特性
(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 →阻挡层变窄 →扩散运动＞漂移运动，动 态平衡被破坏 →多子扩散形成正向电流I D
半导体中的总电流 扩散电流密度:
J pd qDp dp ( x ) dx
N 型 硅
n(x) p(x) x
=载流子的漂移电流+载流子的扩散电流
电子+空穴 电子+空穴
载流子浓度 no po
J nd ( q) Dn
dn( x ) dx
19 20
1.1.4 小结
1．半导体中有自由电子和空穴两种载流子导电。本 征激发和复合达到动态平衡时，热平衡载流子浓度随 温度升高而迅速增大，室温下本征半导体导电能力很 差。 2．N型半导体（掺入五价杂质）：
稳压二极管
PN结一旦击穿后，尽管他的反向电流急剧增大，但是 PN结两端的电压几乎维持不变，利用这一特性可制成 稳压二极管。
I VZ IZmin IZ IZmax + V
|V反|=V(BR)时， IR急剧
稳压二极管的主要参数
1、稳定电流IZ :是使稳压管正
常工作时的参考电流，一般说来 工作电流较大时稳压性能较好。
PN结反向击穿。
反向击穿时，PN结上电流过大，若时间过长而产 结上电流过大，若时间过长而产 生过热就会产生热击穿 热击穿而烧坏管子。（应避免） 而烧坏管子。（应避免） 生过热就会产生 PN结的击穿有两种方式：雪崩击穿和齐纳击穿 结的击穿有两种方式：雪崩击穿和齐纳击穿 利用PN 结的反向击穿特性可制成稳压二极管 稳压二极管 利用PN结的反向击穿特性可制成
多子——自由电子，少子——空穴，施主杂质正离子 P型半导体（掺入三价杂质）： 多子——空穴，少子——自由电子，受主杂质负离子
§1.2 PN结
P型半导体 － － － － － － － － － － － －
N型半导体 + + + + + + + + + + + +
3．半导体有两种导电方式：电场作用下产生的漂移 电流和载流子浓度差作用下产生的扩散电流。
+4
+4
载流子
自由电子 带负电荷 电子电流 ＋总电流 空穴 带正电荷 空穴电流
热平衡载流子浓度
2.4 1013 锗：
cm3 cm3
本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
9
在硅中仅占原子密度 的三万亿分之一，故 本征半导体的导电能 力很低，近似认为不 导电
10
本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
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。
6
二、本征激发和复合
在绝对0度（T=0K）和没有外界影响时,价电 子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有能够 自由运动的带电粒子（即电荷载流子），不能导 电，相当于绝缘体。 本征激发现象---当温度升高或受到光的照 射时，一些共价键上的价电子从外界获得足够的 能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时 共价键上留下相同数量的空位，称为空穴。
V VT
I I S (e 1)
上式简化为：
V VT
IS为反向饱和电流， VT=26mV，为热电压。
当PN结正偏，即V为正值时，I随V增大而增大，若V》VT，
I ISe
当PN结反偏，即V为负值时，︱V︱》VT，上式简化为：
I I S
32
三、伏安特性
ID(mA) Ge Si
四、温度特性
一、漂移与漂移电流
在外加电场作用下，载流子 将产生定向运动，其中自由 电子产生逆电场方向的运 动，空穴产生顺电场方向的 运动，载流子的这种定向运 动称为漂移运动。 由它产生的电流称为漂移电 流，而这两种载流子所对应 的漂移电流均是顺电场方向 的。
根据热平衡条件，相应的少子空穴浓度为：
p0
ni2 1.5 1010 cm 3 n0 8 1016 cm 3
（2）电中性条件 即整块半导体中的正电荷量恒等于负电荷量。 n0 N d 在n型半导体中 n0 N d p0
在p型半导体中 p0 N a n0
+4
+4
+4
－
多数载流子（简称多子）—— 空穴 少数载流子（简称：少子）——自由电子 三价杂质元素——受主杂质
p0 N a
14
13
1.1.3 两种导电机理——漂移和扩散
一、N型半导体
硅原子
多余电子极 易电离成为 自由电子
+4
+4
+4
电子空穴对
自由电子
N型半导体
+4
磷原子
+5
+4
+ +
+ + +
+ + +
+ + +
+4
+4
+4
+
多数载流子（简称：多子）——自由电子 少数载流子（简称：少子）—— 空穴 五价杂质元素—— 施主杂质
施主离子
12
二、P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。 硅原子
P型半导体 空间电荷区 N型半导体 － － － － － － － － － －
正向电流 －
二、反向特性
(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 →阻挡层变宽 →漂移运动＞扩散运动，动 态平衡被破坏 →少子漂移形成反向电流I
S
在一定的温度
P
空 间 电 荷 区
三、多子和少子热平衡浓度（杂质半导体中）
杂质半导体中多子和少子，必然满足以下两个条件：
空穴
+4
空穴
+4
+4
电子空穴对 P型半导体
+4
硼原子
+3
+4