第2章 半导体二极管及直流稳压电源

第2章 半导体二极管及直流稳压电源 2.1 半导体的基础知识 2.2 半导体二极管 2.3 晶体二极管电路的分析方法 2.4 晶体二极管的应用及直流稳压电源 2.5 半导体器件型号命名及方法

2.1 半导体的基础知识 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分，可分为：导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2.1 半导体的基础知识 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分，可分为：导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。 如：橡胶等 3. 半导体： 半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

2.1 半导体的基础知识 半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2.1 半导体的基础知识 半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此类。

2.1.1 本征半导体 1. 本征半导体——纯净的晶体结构的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。电子技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个称为价电子。 其简化原子结构模型如下图： 无杂质 稳定的结构

2.本征半导体的共价键结构 每个原子的四个价电子分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。 两个电子的共价键 正离子芯 共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对 3.本征半导体中的两种载流子 由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 这一现象称为本征激发，也称热激发。 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。 由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对 动态平衡 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。

空穴的移动 由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移—电流。 电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。

空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。 空穴的移动 空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。 自由电子 空穴 空穴的运动

2.1.2 杂质半导体 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 1. N型半导体 2.1.2 杂质半导体 1. N型半导体 多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。 磷（P） 施主杂质 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。

2.1.2 杂质半导体 所以，N型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子—多数载流子（由两部分组成） 空穴——少数载流子 2.1.2 杂质半导体 N型半导体的结构示意图如图所示： 施主正离子 自由电子 所以，N型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子—多数载流子（由两部分组成） 空穴——少数载流子

2. P型半导体 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？ 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？ 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 受主杂质 硼（B）

2. P型半导体 P型半导体的结构示意图如图所示： 受主负离子 空穴 P型半导体中： 空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。

本节中的有关概念 本征半导体、杂质半导体 施主杂质、受主杂质 N型半导体、P型半导体 自由电子、空穴 多数载流子、少数载流子

2.1.3 PN结的形成及特性 1.PN 结的形成 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。

1.PN 结的形成 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。 因浓度差 多子扩散 形成空间电荷区 促使少子漂移 阻止多子扩散

2.PN 结的单向导电性 必要吗？ PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。

2.PN 结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 低电阻 大的正向扩散电流 (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流 PN结的伏安特性 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

3. PN结的电容效应 (1) 扩散电容CD 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。 正向电压时，载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 —— 扩散电容效应。 当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。 扩散电容示意图

3. PN结的电容效应 (2) 势垒电容CT 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。 空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。 势垒电容的大小可用下式表示：  ：半导体材料的介电比系数；S ：结面积；d ：耗尽层宽度。 由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 U 而变化，因此势垒电容 CT不是一个常数。 结电容

2.2 半导体二极管 将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。 小功率二极管 大功率二极管 稳压 二极管 发光 二极管

1. 半导体二极管的结构 二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。 (1) 点接触型二极管 (a)点接触型 二极管的结构示意图

（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 1. 半导体二极管的结构 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。 (2) 面接触型二极管 (b)面接触型 （a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号

2. 二极管的伏安特性 其中 IS ——反向饱和电流 UT ——温度的电压当量 二极管的伏安特性 且在常温下（T=300K）

若反向电压|u|>>UT，则 2. 二极管的伏安特性 正向特性为指数曲线 若正向电压 u>>UT,则 若反向电压|u|>>UT，则 i≈−IS 反向特性为横轴的平行线

2. 二极管的伏安特性 伏安特性受温度影响 T（℃）↑ →在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ →正向特性左移，反向特性下移 增大1倍/10℃ 伏安特性受温度影响

2. 二极管的伏安特性 锗二极管2AP15的伏安特性

2. 二极管的伏安特性 当uD＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段： 当0＜uD ＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。 当uD ＞Uth时，开始出现正向 电流，并按指数规律增长。 硅二极管的死区电压Uth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Uth=0.1 V左右。 开启电压

2. 二极管的伏安特性 当uD＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 击穿电压 当uD＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 当UBR＜uD＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。 当uD≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压 。 锗二极管2AP15的伏安特性 材料 开启电压 导通电压 反向饱和电流 硅Si 0.5V 0.5~0.8V 1µA以下 锗Ge 0.1V 0.1~0.3V 几十µA

二极管的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿——可逆 （1）雪崩击穿 掺杂浓度较低的PN结 空间电荷区宽 电子在强电场作用下加速获得很大的动能 碰撞出价电子 连锁反应 犹如发生雪崩 击穿电压高 雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数。

二极管的反向击穿 （2）齐纳击穿 掺杂浓度较高的PN结 空间电荷区窄 反向电压，就能建立很强的电场 直接拉出价电子 击穿电压不高 齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。 热击穿——不可逆 PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。

2.2.3 二极管的主要参数 (1) 最大整流电流IF 二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。 2.2.3 二极管的主要参数 (1) 最大整流电流IF 二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。 (2) 反向击穿电压UBR和最大反向工作电压UR 二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。 为安全计，在实际 工作时，最大反向工作电压 URM一般只按反向击穿电压 UBR的一半计算。

2.2.3 二极管的主要参数 (3) 反向电流IR 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。即IS (4)最高工作频率fM (5) 极间电容CJ

2.3 晶体二极管电路的分析方法 2.3.1 晶体二极管的模型 1.二极管的简化模型 将指数模型 分段线化，得到二极管特性的等效模型。 2.3 晶体二极管电路的分析方法 2.3.1 晶体二极管的模型 1.二极管的简化模型 将指数模型 分段线化，得到二极管特性的等效模型。 (1)理想模型 理想 二极管 理想开关 导通时uD＝0 截止时IS＝0

2.3 晶体二极管电路的分析方法 （2）恒压降模型 近似分析中最常用 导通时u＝UD(on) 截止时IS＝0

2.3 晶体二极管电路的分析方法 （3） 折线模型 应根据不同情况选择不同的等效电路！ 导通时△iD与△uD成线性关系 ？ 2.3 晶体二极管电路的分析方法 （3） 折线模型 导通时△iD与△uD成线性关系 ？ 100V？5V？1V？ 应根据不同情况选择不同的等效电路！

2.交流小信号等效模型 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。 ui=0时直流电源作用 Q越高，rd越小。 小信号作用

2.交流小信号等效模型 根据 在Q点上 即 （室温下) 静态电流

2.3.2 晶体二极管电路的分析方法 1.数值解法 迭代法 联立求解

2.3.2 晶体二极管电路的分析方法 2.图解分析法 工作点 二极管伏安关系 负载线 uD=VDD－iDR

3.简化模型分析法 对如图所示简单二极管电路，采用不同的简化模型，得到不同的电路 （1）理想模型，用短路线代替导通的二极管 （2）恒压降模型时，用恒压降模型等效电路代替二极管 （b）恒压降模型电路 (a) 理想模型电路 简单二极管电路

3.简化模型分析法 （3）折线模型，用折线模型等效电路代替二极管 （c） 折线模型电路 简单二极管电路

讨论 判断二极管工作状态的方法？ 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？

注意：UD的参考方向应与二极管的方向相一致 3.简化模型分析法 【例】电路如图(a)所示。试用理想模型求输出电压Uo。 解：（1）断开VD，如图(b)，求UD。 注意：UD的参考方向应与二极管的方向相一致

3.简化模型分析法 (2) 理想模型 UD>0V，∴VD导通 用导通时的理想模型(导线)代替二极管，得到图(c) 由此求得： UO=1V

3.简化模型分析法 解：理想模型 由图(b)可以得到： UD1=－1(V)<0 UD2=－1+5=4(V)>0 ∴VD1截止，VD2导通 得到图(c) ∴Uab=－5(V)

【例】 电路如图(a)所示，理想二极管，求输出电压Uo。 3.简化模型分析法 【例】 电路如图(a)所示，理想二极管，求输出电压Uo。 解： UD1=1(V)>0 UD2=1+5=6(V)>0 UD2>UD1∴VD2先导通 由图(b)重求UD1 UD1=−5(V)<0 ∴VD1截止 为什么不是UD1=1(V)？ ∴Uab=－5(V)

3.简化模型分析法 【例2.3.1】电路如图所示R=1kΩ,UREF=3V为直流参考电压源。当 ui=6sinωt(V)试分别用理想模型和恒压降模型分析该电路，画出相应的输出电压uo的波形。 解：（1）理想模型 当ui≤UREF时，二极管截止， 当ui>UREF时，二极管导通 ， 波形如图所示

3.简化模型分析法 解：（2）恒压降模型 当ui≤UREF+UD(on)时，二极管截止， (c) 恒压降模型 当ui>UREF+UD(on)时，二极管导通 ， 波形如图所示

2.4 晶体二极管的应用及直流稳压电源 直流电源的组成及各部分的作用 直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。 1) 负载变化输出电压基本不变； 2) 电网电压变化输出电压基本不变。 改变电压值通常为降压 交流变脉动的直流 减小脉动 半波整流 全波整流 在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动±10％，且负载有一定的变化范围。

2.4.2. 小功率整流滤波电路 1．半波整流电路 （1） 工作原理 u2的正半周，D导通， A→D→RL→B，uO= u2 。 u2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2； uO=0。

(2) UO（AV）和 IO（AV）的估算 已知变压器副边电压有效值为U2 2.4.2. 小功率整流滤波电路 (2) UO（AV）和 IO（AV）的估算 已知变压器副边电压有效值为U2 讲明为什么选择整流二极管仅依据IF和UR。

2.4.2. 小功率整流滤波电路 (3) 二极管的选择 考虑到电网电压波动范围为±10％，二极管的极限参数应满足：

2、单相桥式整流电路 (1) 工作原理 四只管子如何接？ u2的正半周 A→D1→RL→D3→B，uO= u2 u2的负半周 若接反了呢？ 四只管子如何接？ u2的正半周 A→D1→RL→D3→B，uO= u2 u2的负半周 B →D2→RL→D4→ A，uO= -u2 集成的桥式整流电路称为整流堆。

2、单相桥式整流电路 (2) 输出电压和电流平均值的估算

2、单相桥式整流电路 (3) 二极管的选择 考虑到电网电压波动范围为±10％，二极管的极限参数应满足： 与半波整流电路对二极管的要求相同

2、单相桥式整流电路 3.电容滤波电路 (1)工作原理 按指数规律下降 充电 放电速度与正弦 波下降速度相似 (1)工作原理 按指数规律下降 当|u2|>|uC|时，有一对二极管导通，对电容充电，τ充电非常小 当|u2|<|uC|时，所有二极管均截止，电容通过RL放电，τ放电=RLC。 滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。

2、单相桥式整流电路 考虑整流电路的内阻 C 越大， RL越大，τ越大，放电越慢，曲线越平滑，脉动越小。

2、单相桥式整流电路 (2) 二极管的导通角 无滤波电容时θ＝π。 有滤波电容时θ < π，且二极管平均电流增大，故其峰值很大！ θ小到一定程度，难于选择二极管！ 导通角

2、单相桥式整流电路 (3) 电容的选择及UO（AV）的估算 优缺点 简单易行，UO（AV）高，C 足够大时交流分量较小；不适于大电流负载。 整流桥的简化画法 优缺点 简单易行，UO（AV）高，C 足够大时交流分量较小；不适于大电流负载。

2.4.3 稳压管稳压电路 1. 稳压管的伏安特性和主要参数 符号 伏安特性 等效电路 由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。 不至于损坏的最大电流 进入稳压区的最小电流 稳定电压 UZ：稳压管的击穿电压 稳定电流 IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流 最大耗散功率 PZM：允许的最大功率， PZM= IZM UZ 动态电阻 rz：工作在稳压状态时，rz＝ΔU / ΔI

2.4.3 稳压管稳压电路 2.基本电路的组成 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！ 限流电阻必不可少！ 限流电阻 R的作用 调整电阻

3. 稳压管稳压电路的主要性能指标 （1）输出电压 UO＝UZ （2）输出电流 IZmax－ IZmin≤ IZM－ IZ （3）稳压系数 （4）输出电阻 特点：简单易行，稳压性能好。适用于输出电压固定、输出电流变化范围较小的场合。

4. 工作原理

2.稳压管稳压电路的设计 （1）UI的选择 UI＝（2～3）UZ （2）稳压管的选择 UZ＝UO IZM－IZ > ILmax－ ILmin （3）限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。 电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。 电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。 若求得R=200~300Ω，则该取接近200Ω还是接近300Ω？为什么？ 若求得Rmin>Rmax，怎么办？

2.4.3 稳压管稳压电路 【例2.4.1】 硅稳压管电路如图所示。其中待稳定的直流电压UI=18V，R=1kΩ，RL=2kΩ，硅稳压管VDZ的稳定电压UZ=10V，动态电阻及未被击穿时的反向电流均可忽略。 （1）试求UO、IO、IR和IZ的值。 （2）试求RL值降低到多大时，电路的输出电压将不再稳定。 解：（1） （2）当

2.4.3 稳压管稳压电路 【例】：设UI足够大，UZ1=8V，UZ2=7.5V，UD(on)=0.7V，判断VDZ1，VDZ2的导通情况，并求输出电压UO。

2.4.4 三端集成稳压器 1. 固定输出的三端稳压器 — W7800系列 （1）简介 输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 输出电流：1.5A（W7800）、0.5A （W78M00）、0.1A（W78L00）

（2）基本应用 将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻。 负电压 79   使Co不通过稳压器放电 消除高频噪声 抵销长线电感效应，消除自激振荡

（3）具有正、负两路输出的稳压电路

（4）输出电压扩展电路 IW为几mA，UO与三端稳压器参数有关。 隔离作用

2. 基准电压源三端可调式稳压器 W117 （1）简介 输出电压UREF＝1.25V，调整端电流只有几微安。

（2）基本应用 保护 稳压器 减小纹波电压

讨论：W117的应用 1. R1的上限值为多少？ 2. UO可能的最大值为多少？ 3. 输出电压最小值为多少？ 决定于IOmin 两种情况：1.已知UI 2.自己选取UI 1. R1的上限值为多少？ 2. UO可能的最大值为多少？ 3. 输出电压最小值为多少？ 4. UOmax＝30V，选取R1、 R2； 5. 已知电网电压波动±10％，输出电压最大值为30V， UI至少取多少伏？ 决定于W117的输出 根据输出电压表达式 输入电压最低、输出电压最高时，UImin－UOmax＞3V。

【例2.4.2】 电路如图2.4.14所示，集成稳压器7824的2、3端电压U32=UREF=24V，求输出电压UO和输出电流IO的表达式，说明该电路具有何种作用。 解： 图2.4.14 例2.4.2电路图

2.5 特殊二极管 1．太阳能电池 它是没有外电压直接激励的PN结器件，它能把太阳能转变为电能。带负载的PN结太阳能电池如图所示。 2.5 特殊二极管 1．太阳能电池 它是没有外电压直接激励的PN结器件，它能把太阳能转变为电能。带负载的PN结太阳能电池如图所示。 当光照射在空间电荷区，产生了电子和空穴对。在内电场的作用下，他们流出空间电荷区，形成光电流。光电流在负载上产生了电压，这就意味着太阳能电池为负载提供了能量。

2.5 特殊二极管 2．发光二极管 发光二极管（Light-Emitting Diode,简写为LED）是将电能转换为光能的半导体器件，其电路符号如图所示。 发光二极管与普通二极管一样由一个PN结组成，也具有单向导电性。只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，当给发光二极管加正向偏压时，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的自由电子，在PN结附近数微米内分别与N区的自由电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。 发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小寿命长、可靠性高等优点，常用作显示器件。

2.5 特殊二极管 3．变容二极管 二极管反偏时结电容以势垒电容为主，势垒电容的大小除了与本身结构尺寸与工艺有关外，还与外加电压有关。当反偏电压增大时，势垒电容减小，这种利用反偏时的势垒电容工作与电路的二极管称为变容二极管，简称变容管。 不同型号的变容管，其电容最大值大约为5～300PF。变容管的应用十分广泛，特别是在高频技术中，如谐振回路中的电调谐，压控振荡器、频率调制、参量电路等都有较多应用。

2.6 半导体器件型号命名及方法 半导体器件的型号命名由5部分组成 2CP21A： 普通N型硅材料二极管，序号21，规格号A