第8、11章 半导体器件、直流稳压电源

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的值。（1）VA VB 3V (2)V A 3V, VB 0
6V
(3)V A VB 0 VF
VA D A
R
VB
DB
例 2：
6V
D 3k 12V +
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
N
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。
点接触型 触丝线
二、 杂质半导体
定义：渗入杂质的半导体。
靠空穴导电 形成：在本征半导体中渗入少量的 3 价元素 P 型半导体：
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 （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 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）
Si
温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。
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 价电子 一个空穴，其结果相当于空穴的运动 （相当于正电荷的移动）。
本征半导体的导电机理
当半导体两端加上外电压时，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。 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。
扩散运动〉漂移运动
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
+
I
－
_
N
P
－ －
外电场
内电场
R
E
（2）PN 结反向偏置 变厚 － － + + + + + + + +
_
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。
P
+
－ －
－ －
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。
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 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。
第 8 章 半导体器件
8.1 半导体的基础知识 8.2 半导体二极管 8.3 特殊二极管 8.4 双极型晶体管
第 11 章 直流稳压电源
11.1 11.2 11.3 11.4 直流稳压电源的组成 整流电路 滤波电路 稳压电路
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。 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。
PN结
引线
外壳
基片
面接触型
二极管的电路符号：
P
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 正向特性 I + – N 特点：非线性 P
导通压降
U –
硅0.6~0.8V 锗0.2~0.3V
P
+N
死区电压
硅管0.5V,
反向特性
锗管0.1V。
外加电压大于死区电压 二极管才能导通。
二、伏安特性
A
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。
UAB
– B
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 在这里，二极管起箝位作用。
I
0
UD
U
忽略二极管导通电压时的伏安特性
I
UD = 0
0
U
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。 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 = 1 (or 2 )U
2、反向特性：
反向击穿 电压U(BR)
I
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
反向饱和电流： 硅管：几μ A
反向特性
锗管：几百μ A
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
（1）近似特性 考虑二极管导通电压时的伏安特性 硅管：0.6-0.7V UD = 锗管：0.2-0.3V （2）理想特性
例 5：
+ ui –
R D US + uo – 参考点
已知： ui 3sin t V US=2V，二极管是理想的， 试画出 uo 波形。
ui 3V 2V
t
应用三、限幅的作用： 将输出电压的幅值限 制在某一数值。
二极管阴极电位为 2 V P216 图8.2.5
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 = ui
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？
பைடு நூலகம்用四、整流的作用
定义： 逆变 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 交流 整流 直流
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
价电子 Si Si
Si
共价键
晶体中原子的排列方式
Si
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 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），同时共价键 中留下一个空位，称为空穴（带正电）。 Si Si 这一现象称为本征激发。 Si 空穴
三、PN结及其单向导电性
漂移使空间电 荷区变薄。
P型半导体
扩散和漂移这一对相反的运动 最终达到平衡，空间电荷区的 漂移运动 厚度固定不变。
内电场
称为PN结
N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。
R
4. 最大反向电流 IRm 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， 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。