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1、1.1 PN1.1 PN结结1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 整流滤波电路整流滤波电路1.4 1.4 特殊二极管特殊二极管1.1 PN1.1 PN结结 1.1.1 半导体的根底知识 图1.1表示的是由二极管、灯泡、限流电阻、开关及电源等组成的简单电路。 电路演示如下: 图 1.1 半导体二极管导电性能的实验 按图1.1(a)所示, 闭合开关S, 灯泡发光, 阐明电路导通，假设二极管管脚互换位置, 如图1.1(b)所示, 闭合开关S, 灯泡不发光。由演示结果可知: 二极管具有单导游电性。1半导体的特性自然界中的各种物质,按导电才干划分为:导体、绝缘体、半导体。半导体导电才干
2、介于导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性和掺杂性。利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。2半导体的共价键构造在电子器件中,用得最多的资料是硅和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受本身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联络,这些价电子一方面围绕本身的原子核运动,另一方面也时常出如今相邻原子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联络在一同,称为共价键构造。如图1.2所示。图1.2硅和锗的共价键构造
3、当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自在电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴,如图1.3所示。 图1.3 本征激发产生电子空穴对表示图 自在电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的景象,称为本征激发,又称为热激发。 由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,临近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移
4、到这个新的空位上,如图1.4所示。为了区别于自在电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,以为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等,符号相反。由此可见,本征半导体中存在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只需一种载流子电子。本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相反而构成的电流方向一样,如图1.5所示。图1.4电子与空穴的挪动图1.5 两种载流子在电场中的运动 3杂质半导体1)N型半导体在纯真的半导体硅或锗中掺入微量五价元素如磷后,就可成为N型半导体,如图1.6(a)所示。在这种半导体中,自在电子数远大于空穴数,导电以电子为主,故此类半导体亦称电子型半导体。2)P
5、型半导体在硅或锗的晶体内掺入少量三价元素杂质,如硼或铟等。硼原子只需3个价电子,它与周围硅原子组成共价键时,因短少一个电子,在晶体中便产生一个空穴。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具有导电性能。P型半导体共价键构造如图1.6(b)所示。图1.6掺杂质后的半导体(a)N型半导体；(b)P型半导体在P型半导体中,空穴数远远大于自在电子数,空穴为多数载流子(简称“多子),自在电子为少数载流子(简称“少子)。导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴型半导体。1.1.2PN结及其单导游电特性1.PN结的构成在一块完好的晶片上,经过一定的掺杂工艺,一边构成P型半导体,另一边构成N型半导体。在交界面两
6、侧构成一个带异性电荷的离子层,称为空间电荷区,并产生内电场,其方向是从N区指向P区,内电场的建立妨碍了多数载流子的分散运动,随着内电场的加强,多子的分散运动逐渐减弱,直至停顿,使交界面构成一个稳定的特殊的薄层,即PN结。由于在空间电荷区内多数载流子已分散到对方并复合掉了,或者说耗费尽了,因此空间电荷区又称为耗尽层。2.PN结的单导游电特性在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。1)PN结正向偏置给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图1.7所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,减弱了内电场,使PN结变薄
7、,有利于两区多数载流子向对方分散,构成正向电流,此时PN结处于正导游通形状。图1.7PN结加正向电压2)PN结反向偏置给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏),如图1.8所示。图1.8PN结加反向电压由于外加电场与内电场的方向一致,因此加强了内电场,使PN结加宽,妨碍了多子的分散运动。在外电场的作用下,只需少数载流子构成的很微弱的电流,称为反向电流。该当指出,少数载流子是由于热激发产生的,因此PN结的反向电流受温度影响很大。综上所述,PN结具有单导游电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1半导体二极管的构
8、造、符号及类型半导体二极管的构造、符号及类型1构造符号构造符号二二极极管管的的构构造造外外形形及及在在电电路路中中的的文文字字符符号号如如图图1.9所所示示,在在图图1.9(b)所示电路符号中所示电路符号中,箭头指向为正导游通电流方向。箭头指向为正导游通电流方向。 图1.9 二极管构造、符号及外形举例 (a)构造；(b)符号；(c)外形2类型(1按资料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。(2按构造分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。(3按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。(4按封装方式分:有塑封及金属封等二极管。(5按功率分:有大功率、中功率及小
9、功率等二极管。1.2.2半导体二极管的命名方法半导体器件的型号由五个部分组成,如图1.10所示。其型号组成部分的符号及其意义见附录一。如2AP9,“2表示电极数为2,“A表示N型锗资料,“P表示普通管,“9表示序号。图1.10半导体器件的型号组成1.2.3半导体二极管的伏安特性半导体二极管的中心是PN结,它的特性就是PN结的特性单导游电性。常利用伏安特性曲线来笼统地描画二极管的单导游电性。假设以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线衔接起来,就构成二极管的伏安特性曲线,如图1.11所示图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性。下面对二极管伏安特性曲线加以阐明
10、。图1.11 二极管伏安特性曲线1.正向特性二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小几乎为零,这一部分称为死区,相应的A(A)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图1.6中OA(OA)段。当正向电压超越门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通形状。这时硅管的正导游通压降约为0.60.7V,锗管约为0.20.3V,如图1.11中AB(AB)段。二极管正导游通时,要特别留意它的正向电流不能超越最大值,否那么将烧坏PN结。 2. 反向特性 二极管两端加上反向电压时,在开场很大范围内,二极管相当于非
11、常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图1.11中OCOC段。 3. 反向击穿特性 二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种景象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图1.11中CD(CD)段。 4.温度对特性的影响 由于二极管的中心是一个PN结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左挪动,正向压降减小;反向特性曲线向下挪动,反向电流增大。 1.2.4半半导体二极管的主要参数体二极管的主要参数1.最大整流最大整流电流流IF2.最大反向任最大反向任务电压URM3.反向反向饱和和电流流IR4.二极管
12、的直流二极管的直流电阻阻R5.最高任最高任务频率率fM1.2.5二极管的二极管的简易易测试将将万万用用表表置置于于R100或或R1k()挡R1挡电流流太太大大,用用R10k()挡电压太太高高,都都易易损坏管子。如坏管子。如图1.12所示。所示。图1.12万用表简易测试二极管表示图(a)电阻小(b)电阻大1.2.6二极管运用本卷须知二极管运用时，应留意以下事项：(1)二极管应按照用途、参数及运用环境选择。(2)运用二极管时,正、负极不可接反。经过二极管的电流,接受的反向电压及环境温度等都不应超越手册中所规定的极限值。(3)改换二极管时,运用同类型或高一级的替代。(4)二极管的引线弯曲处间隔外壳端
13、面应不小于2mm,以免呵斥引线折断或外壳破裂。1.3 1.3 整流滤波电路整流滤波电路 1.3.1整流电路整流电路1.单相半波整流电路单相半波整流电路1电路的组成及任务原理电路的组成及任务原理图图1.14(a)所示为单相半波整流电路。所示为单相半波整流电路。由由于于流流过过负负载载的的电电流流和和加加在在负负载载两两端端的的电电压压只只需需半半个个周周期期的的正正弦弦波波,故称半波整流。故称半波整流。图1.14 单相半波整流电路及波形图 (a)电路图 (b)波形图2负载上的直流电压和直流电流直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。即(1.1)流过负载RL上的直流电流为(1.2)3整流二极管参数
14、由图1.14(a)可知,流过整流二极管的平均电流IV与流过负载的电流相等,即1.3当二极管截止时，它接受的反向峰值电压URM是变压器次级电压的最大值，即1.42 2单相桥式整流电路单相桥式整流电路 1 1电路的组成及任务原理电路的组成及任务原理 桥桥式式整整流流电电路路由由变变压压器器和和四四个个二二极极管管组组成成, ,如如图图1.151.15所所示示。由由图图(a)(a)可可见见, ,四四个个二二极极管管接接成成了了桥桥式式, ,在在四四个个顶顶点点中中, ,一一样样极极性性接接在在一一同同的的一一对对顶顶点点接接向向直直流流负负载载RL,RL,不不同同极极性性接接在在一一同同的的一一对对
15、顶顶点点接接向交流电源。输出波形如图向交流电源。输出波形如图1.171.17所示。所示。 图1.15单相桥式整流电路(a)电路画法一(b)电路画法二(c)电路画法三图1.16单相桥式电路的电流通路(a)u2正半周时(b)u2负半周时 图1.17桥式整流电路输出波形图 2负载上的直流电压和直流电流 由上述分析可知,桥式整流负载电压和电流是半波整流的两倍。1.51.63整流二极管的参数在桥式整流电路中,由于二极管V1、V3和V2、V4在电源电压变化一周内是轮番导通的,所以流过每个二极管的电流都等于负载电流的一半,即1.7桥式整流电路与半波整流电路相比,电源利用率提高了1倍,同时输出电压动摇小,因此
16、桥式整流电路得到了广泛运用。电路的缺陷是二极管用得较多，电路衔接复杂，容易出错，为理处理这一问题，消费厂家常将整流二极管集成在一同构成桥堆,内部构造及外形如图1.18所示。从图1.16可知，每个二极管在截止时接受的反向峰值电压为1.8图1.18桥堆内部构造及外形图 (a)半桥堆 (b)全桥堆运用一个“全桥或衔接两个“半桥,就可替代四只二极管与电源变压器相连,组成桥式整流电路,非常方便。选用时,应留意桥堆的额定任务电流和允许的最高反向任务电压应符合整流电路的要求。1.3.2滤波波电路路常常见的的电路方式如路方式如图1.19所示。所示。图1.19各种滤波电路1 1电容滤波电路电容滤波电路 1) 1
17、)电路组成及任务原理电路组成及任务原理 图图1.20(a)1.20(a)为为单单相相半半波波整整流流电电容容滤滤波波电电路路, ,它它由由电电容容C C和和负负载载RLRL并联组成。并联组成。图1.20 半波整流电容滤波电路及波形其任务原理如下:当u2的正半周开场时，假设u2uC(电容两端电压)，整流二极管V因正向偏置而导通，电容C被充电：由于充电回路电阻很小，因此充电很快，uC和u2变化同步。当t=/2时，u2到达峰值，C两端的电压也近似充至u2值。在桥式整流电路中加电容进展滤波器与半波整流滤波电路任务原理是一样的,不同点是在u2全周期内,电路中总有二极管导通,所以u2对电容C充电两次,电容
18、器向负载放电的时间缩短,输出电压更加平滑,平均电压值也自然升高。这里不再赘述。桥式整流电容滤波电路如图1.21所示。图1.21桥式整流电容滤波电路及波形(a)电路(b)波形2负载上电压的计算半波 1. 9桥式、全波 1.103)元件选择(1)电容选择:滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数,RLC愈大,输出电压脉动就愈小,通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的35倍,即桥式、全波 1. 11半波 1. 12(2) 整流二极管的选择。 正向平均电流为 半波 1. 13 桥式1. 144)电容滤波的特点电容滤波电路构造简单、输出电压高、脉动小。但在接通电源的瞬间,将产生强大的充电电流,这种电流
19、称为“浪涌电流;同时,因负载电流太大,电容器放电的速度加快,会使负载电压变得不够平稳,所以电容滤波电路只适用于负载电流较小的场所。2.电感滤波电路电感线圈L和负载的串联电路,同样具有滤波作用,电路如图1.22所示。整流滤波输出的电压,可以看成由直流分量和交流分量叠加而成。因电感线圈的直流电阻很小,交流电抗很大,故直流分量顺利经过,交流分量将全部降到电感线圈上,这样在负载RL得到比较平滑的直流电压。电感滤波电路的输出电压为(1.17) 图1.22 桥式整流电感滤波电路及波形 (a)电路 (b)波形 1.4 1.4 特殊二极管特殊二极管 前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用途的二极管,如稳
20、压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等,现引见如下。1稳压二极管1稳压二极管的任务特性稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图1.23所示。图1.23稳压二极管的特性曲线和符号(a)伏安特性曲线(b)符号 b2稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ。稳定电压UZ即反向击穿电压。(2)稳定电流IZ。稳定电流IZ是指稳压管任务至稳压形状时流过的电流。当稳压管稳定电流小于最小稳定电流IZmax时,没有稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时,管子因过流而损坏。2发光二极管发光二极管与普通二极管一样,也是由PN构呵斥的,同样具有单导游电性,但在正导游通时能发光,所以它是一种把电能转换成光能的
21、半导体器件。电路符号如图1.24所示。图1.24 发光二极管电路符号 1普通发光二极管普通发光二极管任务在正偏形状。检测发光二极管,普通用万用表R10k()挡,方法和普通二极管一样,普通正向电阻15k左右,反向电阻为无穷大。2红外线发光二极管红外线发光二极管任务在正偏形状。用万用表R1k()挡检测,假设正向阻值在30k左右,反向为无穷大,那么阐明正常,否那么红外线发光二极管性能变差或损坏。3激光二极管根据内部构造和原理,判别激光二极管好坏的方法是经过测试激光二极管的正、反向电阻来确定好坏。假设正向电阻为2030k,反向电阻为无穷大,阐明正常,否那么,要么激光二极管老化,要么损坏。3光电二极管光电二极管任务在反偏形状,它的管壳上有一个玻璃窗口，以便接受光照。光电二极管的检测方法和普通二极管的一样,通常正向电阻为几千欧,反向电阻为无穷大。否那么光电二极管质量变差或损坏。当遭到光线照射时,反向电阻显著变化,正向电阻不变。图1.25光电二极管电路符号4变容二极管变容二极管是利用PN结电容可变原理制成的半导体器件,它仍任务在反向偏置形状。它的压控特性曲线和电路符号如图1.26所示。 图1.26 变容二极管的压控特性曲线和电路符号 (a)电路符号 (b)压控特性曲线
