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1、第 1 章 半导体基础与二极管电路,课堂讨论,下一章,上一章,1.3 特殊二极管,1.5 整流电路,1.6 滤波电路,1.7 稳压电路,1.4 直流稳压电源的组成,1.1 半导体的基础知识,1.2 半导体二极管,返回主页,固态电子学材料,2,1.1 半导体的基础知识,一、本征半导体 1. 什么是本征半导体 是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,自然界中的物质,导体,绝缘体,半导体,价电子参与导电 掺杂增强导电能力 热敏特性 光敏特性,第1章 直流稳压电源,常用的半导体：硅、锗、砷化镓等。,1.1 半导体的基础知识,+4,2. 本征激发,1.1 半导体的基础知识,+4,+4,外电场的作用使价
2、电子定向移动,空穴越多，价电子越容易移动。 价电子的移动等效于空穴的移动空穴参与导电。,1.1 半导体的基础知识,+4,复合,在一定的温度和光照下，载流子的产生和复合达到 动态平衡，载流子的浓度一定。,3. 本征半导体的导电特性,在绝对零度时，不导电。 温度（或光照） 价电子获得能量 自由电子和空穴均参与导电， 统称为载流子。 温度 载流子的浓度 自由电子释放能量跳回共价键 复合。 本征半导体载流子浓度较低，导电能力较弱。,1.1 半导体的基础知识,导电能力 。,：本征载流子浓度 单位：个/,：禁带宽度,常数：与材料有关,绝对温度,玻尔兹曼常数 ：,e不是电子电量 =2.71828182845
3、9,此公式仅用于帮助大家了解本征载流子浓度和哪些因素有关，一般不用于具体求解,本征载流子浓度,9,本征半导体热平衡时 自由电子与空穴成对出现 电子浓度=空穴浓度 载流子浓度仅与温度有关,10,半导体漂移电流与迁移率,j：电流密度 单位截面积通过的电流,Q：电荷密度 单位体积的电荷,：电荷的移动速度,漂移电流：带电粒子在电场作用下作定向运动形成的电流,11,迁移率 ：电场比较小 的时候，漂移速度(cm/s)与电场E（V/cm）间的比例系数,比较小,12,本征硅的电阻率,称为电导率,13,14,1.1固态电子学材料,本征硅的电阻率,400K时： 属于半导体,50K时： 属于绝缘体,练习题结果对比：
4、本征硅的电阻率 温度影响载流子浓度和迁移率，从而影响电阻率,15,二、杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。,1.1 半导体的基础知识,掺入五价的杂质元素： 自由电子的浓度 空穴的浓度。 自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 称这种杂质半导体为 N 型半导体。 掺入三价的杂质元素： 自由电子的浓度 空穴的浓度。 空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。 称这种杂质半导体为 P 型半导体。,1.1 半导体的基础知识,1. P 型半导体 在硅晶体中掺入少量三价元素杂质（如硼）。,1.1 半导体的基础知识,2. N 型半导体 在硅晶体中掺入少量五价元
5、素杂质（如磷）。,+5,3. 杂质半导体的示意表示法,P 型半导体,N 型半导体,1.1 半导体的基础知识,三、PN 结,1. PN 结的形成,扩散运动,扩散运动： 多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。,1.1 半导体的基础知识,内电场,耗尽层 势垒区,PN 结,扩散运动继续进 行, 使PN结加宽,1.1 半导体的基础知识,多数载流子的扩散运动继续进行，使 PN 结加 宽，内电场增强。 内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。 内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。,1.1 半导体的基础知识,漂移运动： 少数载流子在内电场作用下的运动。 漂移运动使 PN 结变薄，内电场削弱。 内电场削弱，
6、又有利于多数载流子的扩散运动， 而不利于少数载流子的漂移运动。,漂移运动,1.1 半导体的基础知识,多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运 动达到动态平衡 平衡的 PN 结。,1.1 半导体的基础知识,2. PN 结的特性,偏置,正向偏置 反向偏置,多子运动,少子运动,正向导通,反向截止,主要特性： 单向导电性。,1.1 半导体的基础知识,1.2 半导体二极管,第1章 直流稳压电源,一、二极管的基本结构和分类 1. 二极管的基本结构 将一个 PN 结封装后成为二极管。,阴极 引线,阳极 引线,点接触型,面接触型,阴极引线,阳极引线,2. 图形符号和分类,(1) 按结构分类 点接触型、面接触型
7、。 (2) 按材料分类 硅管、锗管。 (3) 按功率分类 大功率管、小功率管。 (4) 按频率分类 高频管、低频管。 (5) 按用途不同分类 普通管、整流管、开关管等等。,1.2 半导体二极管,图形符号,二、二极管的伏安特性,反向 特性,正向 特性,死区,死区电压 Uth ： 硅管 0.5 V 锗管 0.1 V,导通压降 UD ： 硅管 0.6 0.7V 锗管 0.2 0.3V,击穿电压,反向截止区,反向击穿区,反向饱 和电流,1.2 半导体二极管,1. 伏安特性,三、 二极管的数学模型,n: 非理想因子 一般取值n=1,IS: 二极反向饱和电流 一般,已知：,解：,室温下,室温下， UT=0
8、.025V， ，,，,例题 分析二极管的电压和电流,UD,2. 伏安特性的近似处理,1.2 半导体二极管,(2) 近似模型,(1) 理想模型,正向偏置（导通）时 ： UD = 0，RD = 0。 反向偏置（截止）时： ID = 0，RD。,正向导通时 ： UD = 0.7 V（或 0.2 V）。 反向偏置（截止）时： ID = 0，RD。,UD ID,1.2 半导体二极管,(3) 折线模型,正向导通时 ： 将其作为一个线性电阻处理。 反向偏置（截止）时： ID = 0，RD。,(4) 小信号模型,当工作点在 Q 点附近变化时： 用 Q 点的切线代替曲线。,Q,（动态电阻为常数）,四、主要参数
9、1. 最大整流电流 IF 2. 最大整流电流时的正向压降 UF 3. 反向击穿电压 UBR 4. 反向工作峰值电压 URWM 5. 反向峰值电流 IRM,1.2 半导体二极管,uo = E,uo = ui,解：,VD 导通:,(2) ui3 V 时,VD 截止:,例1.1 电路如图所示，已知 ui 6sin t V， E = 3 V，画出 uo 的波形（设 VD 为理想二极管）。,(1) ui3 V 时,1.2 半导体二极管,两个二极管的阴极接在一起 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。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V
10、，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,1.3 特殊二极管,一、稳压二极管 又称为齐纳二极管。 为面结型硅二极管。,反向 特性,正向 特性,1. 伏安特性 特点 反向击穿电压小； 反向击穿特性陡。,击穿 电压,第1章 直流稳压电源, ,2. 主要参数,(1) 稳定电压 UZ (2) 稳定电流 IZ (3) 动态电阻 rZ,(4) 电压温度系数 U（%/） 温度每变化 1 稳定电压变化的百分数。 例如 2
11、CW18 稳压管： U = 0.095%/， 若 20 时 UZ = 11 V，则 50 时的稳压值为,（越小越好）,1.3 特殊二极管,(5) 耗散功率 PZ UZ IZM PZ,1.3 特殊二极管,2CW52 3.2 4.5 10 55 0.25 70 0.08 2CW54 5.5 6.5 10 38 0.25 30 0.03 0.05 2CW107 8.5 9.5 20 100 1 10 0.08,几种稳压管的主要参数,稳压值为 8 V 左右的稳压管动态电阻较小。 UZ5.7 V时，温度系数为负值； UZ5.7 V时，温度系数为正值。,二、光敏二极管,1. 伏安特性 反向电流随光照强度的
12、增加而上升。,1.3 特殊二极管,作用 将光信号转化为电信号。,E = 200 lx E = 400 lx, ,2. 主要参数 (1) 暗电流 无光照时的反向饱和电流。 (2) 光电流 额定照度时的反向电流。 (3) 灵敏度 (4) 峰值波长,三、发光二极管,1.3 特殊二极管,伏安特性与普通二极管相似。 发光的颜色取决于制造材料。 磷砷化镓：红光，磷化镓：绿光。 作用 作显示器件。 将电信号转化为光信号。,LED,发光二极管,1.3 特殊二极管,四、激光二极管,1.3 特殊二极管,作用 产生相干的单色光信号，便于光缆传输。 结构和图形符号 在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半 导体，其端
13、面抛光，具有部分反射功能。, ,1.4 直流稳压电源的组成,第1章 直流稳压电源,一、直流稳压电源框图,二、稳压电源各部分的功能,1.4 直流稳压电源的组成,1. 整流变压器 将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。 2. 整流电路 将交流电变换为直流电（脉动直流）。 3. 滤波电路 滤掉脉动直流电压中所含的交流分量（不可能 全部滤掉），尽量减少直流电压的脉动程度。 4. 稳压电路 稳定输出的直流电压，使其尽可能不受交流电 源波动和负载变化的影响。,1.5 整 流 电 路,第1章 直流稳压电源,整流电路,不可控整流（用二极管作整流元件） 可控整流 （用晶闸管作整流元件）,整流电路,单相半波整流
14、 单相全波整流 三相半波整流 三相全波整流, uo ,一、 单相半波整流电路 1. 工作原理,p 2p 3p,(1) 正半周时 u20，VD 导通。 uo = u2（忽略管压降 UD） (2) 负半周时 u20，VD 截止。 uo = 0 2. 整流电路的计算, u1 , u2 , u2 , u2 ,1.5 整 流 电 路,(4) 二极管上承受的最高反向电压,(3) 二极管上的平均电流 ID= Io,(1) 输出电压的平均值,(2) 输出电流的平均值,= 0.45 U2,1.5 整 流 电 路,3. 整流二极管的选择,(1) 最大整流电流 IF IF ID (2) 反向工作峰值电压 URWM URWM 2URM,1.5 整 流 电 路, uo ,(1) 正半周,u20，,uo = u2 。,VD1 和 VD3 导通，, u1 , u2 ,二、单相桥式整流电路 1. 工作原理,1.5 整 流 电 路, uo ,(2) 负半周,u20，,uo =u2 。,VD2 和 VD4 导通，, u1 , u2 , u2 ,二、单相桥式整流电路 1. 工作原理,1.5 整 流 电 路,(3) 工作波形,1.5 整 流 电 路,(3) VD 上的平均电流和承受的最高反向电压,(1) 输出电压的平均值,= 0.9
