半導(dǎo)體二極管和直流穩(wěn)壓電源分析

1、半導(dǎo)體二極管和直流穩(wěn)壓電源分析1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 半導(dǎo)體它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如硅、鍺、硒及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物等都是半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性主要表現(xiàn)在其導(dǎo)電能力在不同條件下具有很大的差別： （1）有的半導(dǎo)體對(duì)溫度的反映特別靈敏。環(huán)境溫度增高時(shí)，其導(dǎo)電能力要增強(qiáng)很多。 （2）有的半導(dǎo)體對(duì)光照的反映特別靈敏，當(dāng)受到光照時(shí)，其導(dǎo)電能力要增強(qiáng)很多；當(dāng)不受到光照時(shí)，又變得象絕緣體那樣不導(dǎo)電。 （3）如果在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的某種雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力要增強(qiáng)很多。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，在不同條件下具有很大的差別，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性所決定的。1 本征半導(dǎo)體 目前最常用的半導(dǎo)體材料是

2、硅和鍺，它們的原子最外層都有四個(gè)價(jià)電子，都是四價(jià)元素。將硅和鍺提純（取掉無用雜質(zhì)）并形成單晶體，即本征半導(dǎo)體。GeSiSiSiSiSi 共價(jià)鍵 在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子相結(jié)合。結(jié)合方法是，每一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子與相鄰的另外一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對(duì)，稱為共價(jià)鍵。由于共價(jià)鍵的形成，每一個(gè)原子的最外層實(shí)際上相當(dāng)于有8個(gè)價(jià)電子，在通常情況下，這8個(gè)價(jià)電子處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但在獲得一定能量后（溫度升高或受光照）即可掙脫原子核的束縛而成為自由電子。SiSiSiSi 共價(jià)鍵 在價(jià)電子掙脫原子核的束縛而成為自由電子后，共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱為空穴。這時(shí)原子帶正電，也

3、可以認(rèn)為原子中出現(xiàn)了帶正電的空穴。帶正電的空穴要吸引相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，來填補(bǔ)空穴；新的空穴又要吸引相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，來填補(bǔ)空穴。如此繼續(xù)下去，就好象帶正電的空穴在運(yùn)動(dòng)。SiSiSiSi 共價(jià)鍵 在價(jià)電子掙脫原子核的束縛而成為自由電子后，共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱為空穴。這時(shí)原子帶正電，也可以認(rèn)為原子中出現(xiàn)了帶正電的空穴。帶正電的空穴要吸引相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，來填補(bǔ)空穴；新的空穴又要吸引相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，來填補(bǔ)空穴。如此繼續(xù)下去，就好象帶正電的空穴在運(yùn)動(dòng)。SiSiSiSi 共價(jià)鍵 在價(jià)電子掙脫原子核的束縛而成為自由電子后，共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱為空穴。這時(shí)原子帶正電，也

4、可以認(rèn)為原子中出現(xiàn)了帶正電的空穴。帶正電的空穴要吸引相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，來填補(bǔ)空穴；新的空穴又要吸引相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，來填補(bǔ)空穴。如此繼續(xù)下去，就好象帶正電的空穴在運(yùn)動(dòng)。SiSiSiSi 共價(jià)鍵 在價(jià)電子掙脫原子核的束縛而成為自由電子后，共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱為空穴。這時(shí)原子帶正電，也可以認(rèn)為原子中出現(xiàn)了帶正電的空穴。帶正電的空穴要吸引相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，來填補(bǔ)空穴；新的空穴又要吸引相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子，來填補(bǔ)空穴。如此繼續(xù)下去，就好象帶正電的空穴在運(yùn)動(dòng)。 （1）半導(dǎo)體中存在自由電子和空穴兩種載流子。本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，同時(shí)又不斷復(fù)合。在一定條件下（

5、溫度下）載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，于是載流子便維持一定數(shù)目。溫度越高或受光照越強(qiáng)，載流子數(shù)目越多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就越好，所以溫度或光照對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大。 （2）當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上電壓后，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流。一部分是自由電子作定向運(yùn)動(dòng)所形成的電子電流，另一部分是價(jià)電子或自由電子填補(bǔ)空穴所形成的空穴電流。在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和導(dǎo)體導(dǎo)電的本質(zhì)區(qū)別。 結(jié) 論2 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少，所以導(dǎo)電能力很低。如果在本征半導(dǎo)體中摻入微量的某種雜質(zhì)（某種元素），將使摻雜后的半

6、導(dǎo)體（雜質(zhì)半導(dǎo)體）的導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。由于摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為兩類。電子半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體）空穴半導(dǎo)體（P型半導(dǎo)體）雜質(zhì)半導(dǎo)體SiSiP+Si 電子半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體）是在硅或鍺的晶體中摻入磷（或其它五價(jià)元素）。磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，是五價(jià)元素。由于摻入硅或鍺晶體中的磷原子數(shù)比硅或鍺的原子數(shù)少得多，因此整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)不變，只是某些位置上的硅或鍺原子被磷原子所取代。磷原子參加共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)只需要四個(gè)價(jià)電子，多余的第五個(gè)價(jià)電子很容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子。于是這種半導(dǎo)體中自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式。在這種半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子，而空穴

7、是少數(shù)載流子。P多余電子2.1 N型半導(dǎo)體 空穴半導(dǎo)體（ P型半導(dǎo)體）是在硅或鍺的晶體中摻入硼（或其它三價(jià)元素）。硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，是三價(jià)元素。由于摻入硅或鍺晶體中的硼原子數(shù)比硅或鍺的原子數(shù)少得多，因此整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)不變，只是某些位置上的硅或鍺原子被硼原子所取代。硼原子在參加共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)，將因缺少一個(gè)價(jià)電子而形成一個(gè)空穴。于是這種半導(dǎo)體中空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式。在這種半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，而自由電子是少數(shù)載流子。B填補(bǔ)空穴空穴SiSiB-Si2.2 P型半導(dǎo)體注意 不論 N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)都是不帶

8、電的。1.2 PN結(jié) P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)，但并不能直接用來制造半導(dǎo)體器件。通常是在一塊晶片上，采取一定的摻雜工藝措施，在晶片兩邊分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，那么它們的交接面就形成了PN結(jié)。PN結(jié)才是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。1 PN結(jié)的形成P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體 假設(shè)有一塊晶片，兩邊分別形成了P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，得到一個(gè)電子的三價(jià)雜質(zhì)離子（B離子）帶負(fù)電；在N型半導(dǎo)體中，失去一個(gè)電子的五價(jià)雜質(zhì)離子（ P離子）帶正電。 由于P區(qū)有大量的空穴，而N區(qū)的空穴極少，因此空穴要從濃度大的P區(qū)向濃度小的N區(qū)擴(kuò)散；同樣道理，由于N區(qū)有大量

9、的自由電子，而P區(qū)的自由電子極少，因此自由電子要從濃度大的N區(qū)向濃度小的P區(qū)擴(kuò)散。雙方的擴(kuò)散首先在交接面附近進(jìn)行，這樣在交接面附近的P區(qū)留下一些帶負(fù)電的三價(jià)雜質(zhì)離子，形成負(fù)空間電荷區(qū)；在交接面附近的N區(qū)留下一些帶正電的五價(jià)雜質(zhì)離子，形成正空間電荷區(qū)。這里的正負(fù)空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。+P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+ 假設(shè)有一塊晶片，兩邊分別形成了P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，得到一個(gè)電子的三價(jià)雜質(zhì)離子（B離子）帶負(fù)電；在N型半導(dǎo)體中，失去一個(gè)電子的五價(jià)雜質(zhì)離子（ P離子）帶正電。 由于P區(qū)有大量的空穴，而N區(qū)的空穴極少，因此空穴要從濃度大的P區(qū)向濃度小的N區(qū)擴(kuò)散；同樣道理，由于N區(qū)有大量的自由

10、電子，而P區(qū)的自由電子極少，因此自由電子要從濃度大的N區(qū)向濃度小的P區(qū)擴(kuò)散。雙方的擴(kuò)散首先在交接面附近進(jìn)行，這樣在交接面附近的P區(qū)留下一些帶負(fù)電的三價(jià)雜質(zhì)離子，形成負(fù)空間電荷區(qū)；在交接面附近的N區(qū)留下一些帶正電的五價(jià)雜質(zhì)離子，形成正空間電荷區(qū)。這里的正負(fù)空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。PN結(jié) PN結(jié)中的正負(fù)離子雖然帶電，但是它們不能移動(dòng)，不參與導(dǎo)電，而在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，載流子數(shù)極少，所以空間電荷區(qū)的電阻率很高。+P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體空間電荷區(qū)的電阻率很高 正負(fù)空間電荷在交接面兩側(cè)形成一個(gè)電場，稱為內(nèi)電場。內(nèi)電場的方向由帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。內(nèi)電場對(duì)多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起

11、阻擋作用；對(duì)少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）則起推動(dòng)作用，即推動(dòng)少數(shù)載流子越過空間電荷區(qū)而進(jìn)入對(duì)方，這種由少數(shù)載流子所形成的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。+P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)是相互聯(lián)系，又是相互矛盾的。在開始形成空間電荷區(qū)時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場逐漸加強(qiáng)。于是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)。最后，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本確定下來，PN結(jié)也就處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。+P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場逐漸加強(qiáng)。內(nèi)

12、電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變窄。內(nèi)電場2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝怆妶鰞?nèi)電場變窄+P區(qū)N區(qū)RI+-由于內(nèi)電場被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)得到加強(qiáng)，所以能夠形成較大的擴(kuò)散電流。外電場內(nèi)電場+P區(qū)N區(qū)RI0+-變寬由于內(nèi)電場被加強(qiáng)，少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)得到加強(qiáng)，但少數(shù)載流子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。結(jié)論 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很低，正向電流較大，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。 當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很高，反向電流很小，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。1.3 半導(dǎo)體二極管1 基本結(jié)構(gòu)將PN結(jié)加上電極引線和管殼，就成為了半導(dǎo)體二極管。PN+-陽極陰極圖

13、形符號(hào)文字符號(hào)D按結(jié)構(gòu)來分，半導(dǎo)體二極管點(diǎn)接觸型面接觸型 點(diǎn)接觸型一般為鍺管，它的 PN結(jié)結(jié)面積很?。ńY(jié)電容小），適用于小電流高頻電路工作，也用于數(shù)字電路中的開關(guān)元件。 面接觸型一般為硅管，它的 PN結(jié)結(jié)面積大（結(jié)電容大），可以通過較大電流，工作頻率較低，適用于整流電路。2 伏安特性UI死區(qū)電壓：硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。正向?qū)妷海汗韫芗s為0.7V，鍺管約為0.3V。（1）半導(dǎo)體二極管實(shí)際上是一個(gè)PN結(jié)，所以具有單向?qū)щ娦?。?）半導(dǎo)體二極管是非線性元件。反向擊穿電壓UBR3 主要參數(shù)（1）最大正向電流IFM指二極管長期工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流。點(diǎn)接觸型二極管的最大正向電

14、流在幾十毫安以下；面接觸型二極管的最大正向電流較大，如2CP10型硅二極管的這個(gè)電流為100mA。實(shí)際工作時(shí)，二極管通過的電流不應(yīng)超過這個(gè)數(shù)值，否則將因管子過熱而損壞。（2）最高反向工作電壓UDRM 指二極管不被擊穿所容許的最高反向電壓。一般為反向擊穿電壓的1/22/3。如2CP10型硅二極管的這個(gè)電壓為25V，而反向擊穿電壓為50V。（3）最大反向電流IRM 指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓時(shí)的反向漏電流，一般很小，但受溫度影響較大。反向電流大，說明二極管的單向?qū)щ娦阅懿?。硅管的反向電流較小，一般在幾個(gè)微安以下；鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。4 二極管的應(yīng)用 二極管的應(yīng)用范圍

15、很廣，利用它的單向?qū)щ娦?，可組成整流、檢波、限幅、嵌位等電路。還可構(gòu)成其它元件或電路的保護(hù)電路，以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。 在作電路分析時(shí)，一般將二極管視為理想元件，即認(rèn)為正向電阻為零，正向?qū)〞r(shí)為短路特性，正向電壓忽略不計(jì)；反向電阻為無窮大，反向截止時(shí)為開路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。RD1D2+-+-uiuoUs1Us2i0105-5-10uit0105-5-10uit例：圖示為一正負(fù)對(duì)稱限幅電路，已知ui=10sint V， Us1=Us2=5V，畫出uo的波形。解題思路：（1）當(dāng)|ui|5V時(shí)，D1處于正向偏置而導(dǎo)通，所以u(píng)o=5V。（3) ui0時(shí)：二極管正向?qū)?，io0u0時(shí)：

16、D1、D3正向?qū)?，D2、D4反向截止，io0 ，uo=u0 D4D2D1D3RLabuTruoio+-u0 ，uo=-u0 D4D2D1D3RLabuTruoio-+ttu23uo、io的波形與平均值 uoioD4D2D1D3RLabuTruoio二極管的平均電流二極管的最高反向電壓例已知負(fù)載電阻RL=80，負(fù)載電壓Uo=110V，采用橋式整流電路，交流電源電壓為380V，如何選擇整流二極管？解 可選用2CZ11C型二極管，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。 考慮到變壓器副繞組及管子上的壓降，變壓器的副邊電壓大約要比計(jì)算值高出10%，所以1.7 濾波電路 交流電壓經(jīng)整流后輸出

17、的是單向脈動(dòng)的直流電壓，其中既含有直流成分又含有交流成份。濾波電路的作用是利用電容元件兩端電壓不能躍變或電感元件中電流不能躍變的特性, 將電容元件與負(fù)載并聯(lián)或?qū)㈦姼性c負(fù)載串聯(lián)，濾掉整流輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到輸出電壓平滑的目的。1 單相半波帶電容濾波的整流電路uouaTrbDRLC+uCtu23D導(dǎo)通D截止tuoD截止C放電tuoObcaD導(dǎo)通C充電d Oa段：D導(dǎo)通，電源對(duì)C充電，uo=uC=u； ab段：從a點(diǎn)開始，u和uC都開始下降，u按正弦規(guī)律下降，uC按指數(shù)規(guī)律下降，開始uC下降速度大于u，所以D導(dǎo)通，uo=uC=u； bc段：從b點(diǎn)開始， u下降速度大于uC

18、，所以D截止， uo=uC，按指數(shù)規(guī)律變化，變化快慢決定于=RLC； cd段：uuC，D又導(dǎo)通，uo=uC=u，重復(fù)上一周期。uouaTrbDRLC+uCtu23tuoOtuo無電容濾波帶電容濾波 帶電容濾波時(shí)， uo的脈動(dòng)大為減小，其平均值Uo增大。uouaTrbDRLC+uCtuoOtuo無電容濾波帶電容濾波 在空載時(shí)： 隨著負(fù)載的增大（ RL ），放電時(shí)間常數(shù)=RLC ，放電加快，所以Uo 。uouaTrbDRLC+uC通常規(guī)定：單相半波帶電容濾波的整流電路單相全波帶電容濾波的整流電路單相半波帶電容濾波整流電路的特點(diǎn)一般取(T：電源電壓的周期)(2) 流過二極管的瞬時(shí)電流很大 =RLC愈

19、大Uo愈大負(fù)載電流的平均值愈大整流管導(dǎo)通角愈小iD的峰值也就愈大。(1) 輸出電壓Uo與時(shí)間常數(shù) =RLC有關(guān) =RLC愈大電容C放電愈慢Uo(uo的平均值)愈大。(3) 二極管承受的最高反向電壓(4)、輸出外特性Uo與Io的關(guān)系曲線Uo帶電容濾波1.4U0.45UIo無電容濾波 帶電容濾波的整流電路，其外特性較差，或者說帶負(fù)載能力較差。電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且變化也較小的場合。uouaTrbDRLC+uCio2 電感濾波電路電路結(jié)構(gòu)： 在整流電路與負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。uouTrbRLLau（1）濾波原理 對(duì)u的直流分量：f=0，XL=0 ，相當(dāng)于

20、短路，電壓大部分降在RL上；對(duì)u的交流分量：f越高，XL越大，電壓大部分降在XL上。因此， uo主要是u的直流成分，uo是比較平滑的直流電壓。UoU 當(dāng)忽略L的直流電阻時(shí)，uo的平均值約為：uouTrbRLLauLuouTrbRLau（2）電感濾波的特點(diǎn): 整流管導(dǎo)通角較大，峰值電流很小，輸出外特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場合。缺點(diǎn)是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。3 復(fù)合濾波電路 單獨(dú)使用電容或電感構(gòu)成的濾波電路，濾波效果不夠理想，為了滿足較高的濾波要求常采用電容和電感組成的LC、CLC-型等復(fù)合濾波電路。這兩種濾波電路適用于負(fù)載電流較大，要求輸出電壓脈動(dòng)較小的場合。

21、LC+C+C+LC+C+LC+C+R 在負(fù)載較輕時(shí)，常采用電阻代替笨重的電感，構(gòu)成CRC-型濾波電路，同樣可以獲得脈動(dòng)很小的輸出電壓。但電阻對(duì)交、直流均有壓降和功率損耗，所以只適用于負(fù)載電流較小的場合。1.8 穩(wěn)壓電路 經(jīng)整流和濾波后的直流電壓往往還會(huì)隨交流電源電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變化而變化。為了得到很穩(wěn)定的直流電壓，直流穩(wěn)壓電源還需在整流、濾波電路之后再加一級(jí)穩(wěn)壓電路。最簡單的穩(wěn)壓電路是采用穩(wěn)壓管和限流電阻組成。UoUiRRLDZIZIo穩(wěn)壓電路Ui是經(jīng)整流和濾波后的電壓UoUiRRLDZIZIo* 當(dāng)交流電源電壓波動(dòng)而使Ui變化時(shí)Uo= Ui -URIZURURUo=Ui -UR若UiUo = Ui -URIZURUo=Ui -UR若UiUoUiRRLDZIZIoU