半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路

2022/12/311:11課程簡(jiǎn)介1、課程性質(zhì)：重點(diǎn)專業(yè)基礎(chǔ)課適用專業(yè)：機(jī)電類專業(yè)

2022/12/311:112、課程內(nèi)容主要內(nèi)容分為兩類：第一類為模擬電子技術(shù)。第二類為數(shù)字電子技術(shù)。模擬電路部分主要介紹半導(dǎo)體器件、放大電路基礎(chǔ)、集成運(yùn)算放大器及反饋、直流穩(wěn)壓電源。數(shù)字電路部分主要介紹常用邏輯門電路，邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、組合邏輯電路、觸發(fā)器及時(shí)序邏輯電路和脈沖的產(chǎn)生與變換。模擬電路部分以基本概念、基本方法為主；數(shù)字電路部分以電路功能、應(yīng)用和使用方法為主。2022/12/311:113、課程目標(biāo)：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電子技術(shù)各種基本功能電路的組成、基本工作原理、性能特點(diǎn)，熟悉電子技術(shù)工藝技能和電子儀器的正確使用方法，初步具有查閱電子元器件手冊(cè)，正確使用元器件的能力、讀識(shí)常見電子線路圖的能力、測(cè)試常用電路功能及排除故障的能力。能復(fù)述邏輯門電路的功能，并能利用邏輯門電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的組合邏輯電路，并能分析簡(jiǎn)單時(shí)序邏輯電路的功能。為后續(xù)課程學(xué)習(xí)準(zhǔn)備必要的知識(shí)，為今后從事實(shí)際工作打下必要的基礎(chǔ)。2022/12/311:114、情感態(tài)度與價(jià)值觀參與科技活動(dòng)的熱情，勇于探究與日常生活有關(guān)的電學(xué)問(wèn)題；享受快樂(lè)的學(xué)習(xí)過(guò)程及學(xué)習(xí)成果，養(yǎng)成持之以恒的學(xué)習(xí)精神；形成主動(dòng)與他人合作的精神，具有團(tuán)隊(duì)精神；關(guān)心國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，有強(qiáng)烈的使命感與責(zé)任感。半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第一章主要內(nèi)容：半導(dǎo)體二極管的概念不同種類二極管的作用橋式整流電路的結(jié)構(gòu)及作用濾波電路的作用2022/12/311:11物質(zhì)導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)物質(zhì)按導(dǎo)電能力可以一下三大類：半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間,且隨著摻入雜質(zhì)、輸入電壓（電流）、溫度和光照條件的不同而發(fā)生很大變化，人們把這一類物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。2022/12/311:11任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在現(xiàn)代電子器件中，用得最多的半導(dǎo)體材料就是硅和鍺。本征半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體硅或者鍺的晶體內(nèi)，摻入五價(jià)元素雜質(zhì)如磷、砷、銻等。N型半導(dǎo)體：P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體硅或者鍺的晶體中，摻入三價(jià)元素雜質(zhì)如硼、銦等。直流穩(wěn)壓電源的制作一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)+4+4+4+4本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖自由電子空穴空穴價(jià)電子共價(jià)鍵原子最外層軌道上的電子。相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。在室溫下或光照下，本征半導(dǎo)體中少數(shù)價(jià)電子因受熱而獲得能量，擺脫原子核的束縛，從共價(jià)鍵中掙脫出來(lái)，成為自由電子。失去價(jià)電子的硅或鍺原子在該共價(jià)鍵上留下了一個(gè)空位，這個(gè)空位稱為空穴。2022/12/311:11任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)

1．N型半導(dǎo)體：主要靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。即：電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

2．P型半導(dǎo)體：主要靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。即：空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。經(jīng)過(guò)特殊的工藝加工，將P

型半導(dǎo)體和N

型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起，則在兩種半導(dǎo)體的交界面就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)特殊的接觸面，稱為PN結(jié)。

PN

結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。PN結(jié)2022/12/311:11P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合前后任務(wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)2022/12/311:11

（1）正向?qū)ǎ弘娫凑龢O接P型半導(dǎo)體，負(fù)極接N型半導(dǎo)體，電流大。

（2）反向截止：電源正極接N型半導(dǎo)體，負(fù)極接P型半導(dǎo)體，電流小。

結(jié)論：PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，加反向電壓時(shí)截止，這種特性稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。任?wù)一：半導(dǎo)體及PN結(jié)2022/12/311:111、導(dǎo)電性能介于

和

之間的物質(zhì)稱為“半導(dǎo)體”。3、P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是

，N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是

。2、把PN結(jié)外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通、外加反向電壓時(shí)截止時(shí)的特性叫做

特性。

練一練：直流穩(wěn)壓電源的制作一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)3.PN結(jié)的擊穿特性

反向擊穿——當(dāng)加于PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定值時(shí)，PN結(jié)的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。電擊穿——若反向電壓下降到擊穿電壓以下后，其性能可恢復(fù)到原有情況，即這種擊穿是可逆的，稱為電擊穿。熱擊穿——若反向擊穿電流過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)結(jié)溫過(guò)高而燒壞，這種擊穿是不可逆的，稱為熱擊穿。直流穩(wěn)壓電源的制作討論題

反向擊穿后，PN結(jié)就損壞了嗎？2022/12/311:11任務(wù)二：半導(dǎo)體二極管基本知識(shí)二極管的外觀1二極管的種類2二極管的結(jié)構(gòu)3二極管的作用42022/12/311:11二極管的結(jié)構(gòu)

1．半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以用?lái)制造一種半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體二極管。

箭頭表示正向?qū)娏鞯姆较颉?/p>

電路符號(hào)如圖所示。2022/12/311:11二極管的結(jié)構(gòu)二極管正向偏置二極管反向偏置二極管單向?qū)щ娦则?yàn)證試驗(yàn)：2022/12/311:11由于管芯結(jié)構(gòu)不同，二極管又分為點(diǎn)接觸型（如圖a）、面接觸型（如圖b）和平面型（如圖c）。

點(diǎn)接觸型：PN結(jié)接觸面小，適宜在小電流狀態(tài)下使用。面接觸型、平面型：PN結(jié)接觸面大，截流量大，適合于大電流場(chǎng)合中使用。二極管的結(jié)構(gòu)2022/12/311:11

2．二極管的特性

伏安特性：二極管的導(dǎo)電性能由加在二極管兩端的電壓和流過(guò)二極管的電流來(lái)決定，這兩者之間的關(guān)系稱為二極管的伏安特性。硅二極管的伏安特性曲線如圖所示。特性曲線二極管的結(jié)構(gòu)2022/12/311:11②正向?qū)ǎ寒?dāng)外加電壓大于死區(qū)電壓后，電流隨電壓增大而急劇增大，二極管導(dǎo)通。①死區(qū)：當(dāng)正向電壓較小時(shí)，正向電流極小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，如OA段，通常把這個(gè)范圍稱為死區(qū)。

死區(qū)電壓：

導(dǎo)通電壓：?íì=onV0.2V~0.3V（Ge）0.6V~0.7V（Si）

結(jié)論：正偏時(shí)電阻小，具有非線性。

（1）正向特性（二極管正極電壓大于負(fù)極電壓）?íì=(Si）V0.2V5.0TV(Ge）二極管的結(jié)構(gòu)2022/12/311:11二極管的結(jié)構(gòu)

②反向擊穿：若反向電壓不斷增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流就會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。①反向飽和電流：當(dāng)加反向電壓時(shí)，二極管反向電流很小，而且在很大范圍內(nèi)不隨反向電壓的變化而變化，故稱為反向飽和電流。

（2）反向特性（二極管負(fù)極電壓大于正極電壓）

普通二極管不允許出現(xiàn)此種狀態(tài)。

結(jié)論：反偏電阻大，存在電擊穿現(xiàn)象。二極管屬于非線性器件

2022/12/311:11

3．半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)

（1）最大整流電流IF：

二極管長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)允許通過(guò)的最大直流電流。

二極管正常使用時(shí)允許加的最高反向電壓。使用時(shí)應(yīng)注意流過(guò)二極管的正向最大電流不能大于這個(gè)數(shù)值，否則可能損壞二極管。

（2）最高反向工作電壓VRM使用中如果超過(guò)此值，二極管將有被擊穿的危險(xiǎn)。二極管的結(jié)構(gòu)2022/12/311:11二極管的種類、外觀及作用普通二極管起檢波、整流、開關(guān)作用電源、信號(hào)指示和顯示等①發(fā)光二極管特殊二極管2022/12/311:11特殊二極管能穩(wěn)定一定的電壓值，須工作在反向擊穿區(qū)

工作在反向特性區(qū)，反向電流隨光照增加而增大通過(guò)調(diào)節(jié)其兩端反向電壓而改變其電容量的大小，常用在高頻調(diào)諧、通信等電路中②穩(wěn)壓二極管③光電二極管④變?nèi)荻O管2022/12/311:111、理想二極管導(dǎo)通時(shí)，其管壓降約為UD=

，其等效電阻rD約為

。2、要使硅二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)使其外加電壓UD為

。練一練：3、穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)應(yīng)工作在

狀態(tài)。4、硅材料二極管的死區(qū)電壓和正向?qū)妷悍謩e為＿＿＿V和＿＿＿V。2022/12/311:11任務(wù)三：整流濾波電路“整流”是什么意思？有幾種整流電路？這些整流電路的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？整流電路的優(yōu)缺點(diǎn)？“濾波”是什么意思？如何實(shí)現(xiàn)濾波？濾波電路的種類？任務(wù)分解2022/12/311:11一、整流電路將交變電流變換成單向脈動(dòng)電流的過(guò)程稱為整流。實(shí)現(xiàn)這種功能的電路稱為整流電路或整流器。請(qǐng)大家思考：生活中的手機(jī)、電腦、電視機(jī)等，它們實(shí)際工作電壓值是交流220V嗎？NO！我們的生活、學(xué)習(xí)和工作中有許多電器實(shí)際的工作電壓都沒(méi)有220V這么大，而且還都是直流電壓。那么，2022/12/311:11由電源變壓器T、整流二極管VD和負(fù)載電阻RL

組成。

1、單相半波整流電路如圖所示：2022/12/311:11

1）當(dāng)v2為正半周時(shí)，二極管VD加正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，RL上產(chǎn)生正半周電壓vO，如圖（b）所示。

2）當(dāng)v2為負(fù)半周時(shí)，二極管VD加反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，RL上無(wú)電流流過(guò)，如圖（c）所示。工作原理示意圖如圖所示。（1）工作原理2022/12/311:11各波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示：2022/12/311:11

半波整流：電路僅利用電源電壓的半個(gè)波，故稱半波整流。

脈動(dòng)直流電：大小波動(dòng)，方向不變的電流（或電壓）稱為脈動(dòng)直流電。

半波整流后的輸出信號(hào)為半波脈動(dòng)直流電。半波整流電路的缺點(diǎn)是電源利用率低，且輸出脈動(dòng)大。2022/12/311:11（2）負(fù)載與整流二極管的電壓和電流1）負(fù)載電壓VO

2）負(fù)載電流IL

3）流過(guò)二極管的正向電流

IV4）二極管反向峰值電壓VRVO=0.45V22022/12/311:11（3）正確選擇二極管的參數(shù)：①最大整流電流：②最高反向工作電壓：IVM≥IO≥

2022/12/311:11

2、單相全波整流電路如圖所示：半波整流電路波形：比較2022/12/311:11負(fù)載與整流二極管的電壓和電流：

（1）負(fù)載所獲得的直流電壓平均值：

VO=20.45V2=0.9V2

（2）負(fù)載平均電流：

（3）每只二極管承受的反向峰值電壓

VR

（4）每只二極管通過(guò)的平均電流：2022/12/311:11

具有電阻負(fù)載的橋式整流電路如圖所示：3、單相橋式整流電路2022/12/311:11

1）當(dāng)v1為正半周時(shí)，如圖（b）所示，VD1和VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止，RL兩端輸出電壓vO

。

2）當(dāng)v1為負(fù)半周時(shí)，如圖（b）所示，VD2和VD4導(dǎo)通，VD1和VD3截止，RL兩端輸出電壓vO

。（1）工作原理2022/12/311:11

橋式整流電路波形如圖所示：2022/12/311:11（2）負(fù)載與整流二極管的電壓和電流

1）負(fù)載所獲得的直流電壓平均值：

VO=20.45V2=0.9V2

4）每只二極管承受的反向電壓：

3）每只二極管通過(guò)的平均電流：

2）負(fù)載平均電流：2022/12/311:11做一做：

有一直流負(fù)載需要直流電壓6V，直流電流0.4

A，若采用橋式整流電路，求電源變壓器的二次電壓，及流過(guò)二極管的平均電流和承受的反向電壓。則

解

：因VL=0.9V2

流過(guò)二極管的平均電流

二極管承受的反向電壓2022/12/311:11二、濾波電路在整流電路后加接濾波電路可使負(fù)載得到平滑的直流電壓。常見的濾波電路有型LC濾波、型LC

濾波和型RC濾波，如圖所示。2022/12/311:11

1．電容濾波電路

電路圖如圖所示：

（1）電容器在半波整流電路中的濾波作用單相半波整流濾波電路如何將直流電壓變得更加平滑呢?它原理：2022/12/311:11電路圖和波形如圖所示：

（2）電容器在橋式整流電路中的濾波作用單相橋式整流濾波電路2022/12/311:111）空載（RL=∞）時(shí)：u2tuLtuc=uLu2＞uC時(shí)：二極管導(dǎo)通，C充電u2＜uC時(shí)：二極管截止，C放電。由于RL=∞，無(wú)放電回路，所以u(píng)C保持。2022/12/311:112）接入RL（且RLC較大）時(shí)u2tiDtu2＞uC時(shí)：二極管導(dǎo)通，C充電u2＜uC時(shí)：二極管截止，C放電。二極管中的電流uc=uL近似估算:

UL=1.2U22022/12/311:11電路結(jié)構(gòu):

在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L。輸出電壓平均值:UL=0.9U2適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合。對(duì)諧波分量:

f

越高，XL越大,電壓大部分降在電感上。

因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。對(duì)直流分量:

XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上

2．電感濾波電路2022/12/311:11

圖示采用

型RC濾波電路的橋式整流器。

3．RC濾波電路

電路中C1的作用和上面講的濾波作用相同，R和C2起進(jìn)一步平滑作用，C2越大，效果越好。只是電阻R上的直流壓降使輸出電壓降低。2022/12/311:11

4．

型LC濾波電路圖示為

型LC濾波電路。

圖中L為電感量很大的鐵心線圈，使加到RL上的交流成分減小，所以這種濾波器的平滑濾波作用比RC濾波器好。2022/12/311:11對(duì)任務(wù)三進(jìn)行小結(jié)一整流電路1、單相半波整流電路2、單相全波整流電路3、單相橋式整流電路二濾波電路

1、單相半波整流電容濾波電路

2、單相橋式整流電容濾波電路

3、電感濾波電路電路結(jié)構(gòu)各電路的作用計(jì)算uo=？2022/12/311:11做一做：1、如果變壓器二次(即副邊)電壓的有效值為10V，橋式整流濾波后(帶負(fù)載)的輸出電壓為

V。2、如右圖所示，u2=20V，該電路正常工作時(shí)，若D1由于某種原因斷路，則uL=＿＿＿＿V。2022/12/311:11半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第一章小結(jié)

2．晶體二極管的核心是PN結(jié)，故具有單向?qū)щ娦?。二極管屬于非線性器件，其伏安特性是