1、電子電路概述二極管和整流要求 本征半導體完全純凈、具有晶體結構的半導體最常用的半導體為硅(Si)(Ge)。它們的共同特征是四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為 4 。+SiGe共價鍵本征半導體晶體中的共價健結構：每個原子與相鄰的四個原子結合。每個原子的一個價電子與相鄰原子的一個價電子組成一電子對，由相鄰原子共有，構成共價鍵結構。共價鍵價電子共價鍵價電子自由電子和空穴同時產(chǎn)生半導體導電方式激發(fā)自由電子溫增/光照外加電壓電子電流離開剩空穴（原子帶正電）外加電壓吸引相鄰原子價電子填補空穴好像空穴在運動空穴電流與金屬導電的區(qū)別硅原子自由電子硅原子半導體中的自由電子和空穴都能參與導電半導體具有兩種載流子。共

2、價鍵價電子小結本征半導體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷進行復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復合會達到動態(tài)平衡。溫度愈高，載流子數(shù)目就愈多，導電性能就愈好溫度對半導體器件性能影響很大 N型半導體和P型半導體在常溫下，本征半導體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導電能力相當?shù)?。如果在半導體晶體中摻入微量雜質元素，將得到摻雜半導體，而摻雜半導體的導電能力將大大提高。由于摻入雜質元素的不同，摻雜半導體可分為兩大類N型半導體和 P型半導體1. N型半導體當在硅或鍺的晶體中摻入微量磷(或其它五價元素)時，磷原子與周圍四個硅原子形成共價鍵后，磷原子的外層電子數(shù)將是 9 ，比穩(wěn)定結構多一個價電子。P

3、+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余電子1. N型半導體摻入磷雜質的硅半導體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。這種半導體主要靠自由電子導電，稱之為電子半導體或N型半導體。在N型半導體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。1010個/cm3，當磷摻雜量在106量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。當在硅或鍺的晶體中摻入微量硼(或其它三價元素)時，硼原子與周圍的四個硅原子形成共價鍵后，硼原子的外層電子數(shù)將是 7 ，比穩(wěn)定結構少一個價電子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴2. P型半導體綜上所述，由于摻入雜質的不同，產(chǎn)生了N型半導體和P型半導體。雜質半導體中載流子

4、的濃度遠大于本征半導體中載流子的濃度，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但整個半導體晶體仍是電中性的。摻硼半導體中，空穴數(shù)目遠大于自由電子數(shù)目。主要靠空穴導電,稱為空穴半導體或P型半導體。 空穴為多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。因為載流子帶正電或負電，原子則相反帶負電或帶正電，整個晶體不帶電。？6.1.3 PN結及其單向導電性半導體器件的核心是PN結，是采取一定的工藝措施在一塊半導體晶片的兩側分別制成P型半導體和N型半導體，在兩種半導體的交界面上形成PN結。各種各樣的半導體器件都是以PN結為核心而制成的，正確認識PN結是了解和運用各種半導體器件的關鍵所在。結的形成PN空間電荷區(qū)N區(qū)一側因失去電子

5、而留下帶正電的離子，P區(qū)一側因失去空穴而留下帶負電的離子。交界處多數(shù)載流子擴散到對方并復合掉內電場阻礙了多子的繼續(xù)擴散，推動少子的漂移運動，最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)寬度一定P區(qū)空穴多N區(qū)自由電子多內電場耗盡了載流子的交界處留下不可移動的離子形成空間電荷區(qū)；空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)載流子的運動有兩種形式：擴散 由于載流子濃度梯度引起的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動。漂移 載流子受電場作用沿電場力方向的運動。耗盡層中載流子的擴散和漂移運動最后達到一種動態(tài)平衡，這樣的耗盡層就是PN結PN結內電場的方向由N區(qū)指向P區(qū)。結的形成結的單向導電性1) 加正向電壓擴散增強,漂移變弱.PN內電場方向外電場方向I

6、變窄+-外電場方向與內電場方向相反，外電場削弱了內電場，使空間電荷區(qū)變薄.PN結兩側的多數(shù)載流子能順利地通過PN結形成較大的正向電流.外電源不斷提供電荷維持電流PN結呈現(xiàn)低阻導通狀態(tài) 2) 加反向電壓將外電源的正端接N區(qū)、負端接P區(qū)。外電場與內電場方向相同，空間電荷區(qū)變寬。擴散運動變弱，漂移運動增強，參與漂移運動的載流子是少子，反向電流極小。PN內電場方向外電場方向+I0變寬少子是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，即溫度愈高少子的數(shù)量愈多，故溫度對反向電流的影響很大。PN結具有單向導電性，即正向導通、反向截止結的單向導電性PN結呈高阻截止狀態(tài) 半導體二極管 基本結構將PN結加上電極引線及外殼，就構成了半導體二極

7、管。 PN結是二極管的核心。根據(jù)所用材料不同，二極管有硅二極管和鍺二極管兩種。金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼( a ) 點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線( b ) 面接觸型陰極陽極 符號D二極管由 PN 結構成，具有單向導電性。硅二極管的電流-電壓關系 (伏安特性)如圖：由電壓零點分為正向區(qū)和反向區(qū)。正向：由死區(qū)電壓分為死區(qū)和導通區(qū) (Si-0.5V Ge-0.1V)U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 40200-0.5v:正壓低外電場小于內電場正向電流 00.5v:正壓高外電場大于內電場內電場大大削弱正向電流大 伏安特性死區(qū)導通區(qū)死區(qū)電

8、壓截止區(qū):負壓小漂移強(少子)很小反向電流反向飽和電流。U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 4020反向：由擊穿電壓分為截止區(qū)和擊穿區(qū)。6.2.2 伏安特性擊穿區(qū):負壓大二極管失去單向導電性擊穿反向擊穿電流不可逆。擊穿原因：碰撞和非碰撞碰撞:強電場中載流子獲大能量碰撞晶格價電子彈出，產(chǎn)生電子空穴對即新的載流子再碰撞晶格雪崩反應，反向電流越來越大反向擊穿。非碰撞:強電場直接將共價鍵中價電子拉出，產(chǎn)生電子空穴對，形成較大反向電流。二極管的特性不僅可用伏安曲線表示，也可用一些數(shù)據(jù)進行說明,這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管的主要參數(shù)有：1. 最大整流電流IOM 二極管長時間使用

9、所允許通過的最大正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓URWM 保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，為反向擊穿電壓的1/2至2/3。3. 反向峰值電流IRM 二極管加反向峰值電壓時的反向電流值。該值愈大說明二極管的性能愈差，硅管的此參數(shù)值為微安級以下。6.2.3 主要參數(shù)4. 最高工作頻率fM 二極管能承受的外施電壓的最高頻率。若超過則失去單向導電性。PN結兩側的空間電荷與電容極板充電時所儲存的電荷類似，稱為結電容 6.2.4 二極管的應用定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，正向管壓降硅0.60.7V鍺0.20.3V 分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正

10、負。若 V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導通若 V陽 8V，二極管導通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極管截止，可看作開路 uo = ui已知： 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。8V例2：二極管的用途： 整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為 8 VD8VRuoui+ 穩(wěn)壓二極管6.3.1 伏安特性穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的圖形符號：U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，只是

11、反向曲線更陡一些。 伏安特性U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管正常工作于反向擊穿區(qū)，常見電路如下：U iRU oR L在電路中穩(wěn)壓管是反向聯(lián)接的。當U i大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，穩(wěn)壓管被擊穿（在一定的電流范圍內可逆），電流將增大，電阻R兩端的電壓增大，穩(wěn)壓管兩端的電壓基本不變，輸出電壓U o等于U z 。1、穩(wěn)定電壓Uz 指穩(wěn)壓管正常工作時的端電壓。 同一型號穩(wěn)壓管UZ 也不一定相等。2、穩(wěn)定電流IZ 正常工作的參考電流值。 每種型號穩(wěn)壓管都規(guī)定有一個最大穩(wěn)定電流IZM，超過它，易發(fā)生熱擊穿（不可逆），穩(wěn)壓管損毀,IZIZM。U(V)0I

12、 (mA)反向正向UZIZ 主要參數(shù)3、電壓溫度系數(shù) U說明穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)，越小越好。如：穩(wěn)壓管2CW18的電壓溫度系數(shù)為0.095% / C 假如在20 C時的穩(wěn)壓值為11V，當溫度升高到50 C時的穩(wěn)壓值將為特別說明：穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)有正負之別。因此選用6V左右的穩(wěn)壓管，具有較好的溫度穩(wěn)定性。 主要參數(shù)4、動態(tài)電阻rZ 穩(wěn)壓管子端電壓和通過其電流的變化量之比。穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓效果越好。U(V)0I (mA)反向正向UZIZIZmIZUZ5、最大允許耗散功耗PZM 保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。其值為穩(wěn)定電壓和允許的最大電流乘積6.3.2

13、 主要參數(shù)例電路如圖，通過穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？解：UR=20-12=8VIZ=IR=8/1.6=5mA0時二極管導通， uo=u2 u20時二極管截止，uo=0 二極管承受的最大反向電壓：t0uoTUo單相半波整流電壓的平均值為 整流電流的平均值為 通過二極管的平均電流：【例】有一單相半波整流電路，已知變壓器副邊電壓U=20 V，RL=900 ，試求UO、IO及UDRM，并選用二極管。解查二極管參數(shù)，選用2AP4(16mA, 50V)。為了使用安全此項參數(shù)選擇應比計算值大一倍左右。2. 單相橋式整流電路 單相半波整流只利用了電源的半個周期，整流輸出電壓低，脈動幅度較大。為此采用單相橋式整

14、流電路，由四個二極管接成電橋的形式。RLuuoaTrRLbuuoRLuuoRLuouoaTrRLbuD1D3在變壓器副邊電壓u為正半周時，二極管D1、D3導通，而二極管D2、D4截止；t0u0當副邊電壓u為負半周時，二極管D2、D4導通，而二極管D1、D3截止。t0uD2、D4通D1、D3通D1、D3通D2、D4通-+整流后輸出的是脈動直流，既有直流成分又有交流成份。uoaTrRLbuD2D4+-Tt0uUo整流電流的平均值為 單相橋式整流電壓的平均值為 流過每個二極管的平均電流為負載電流的一半uoaTrRLbuD1D3D4D2變壓器副邊在正負半周均有電流流過，副邊電流為正弦量.每個二極管所承

15、受的最高反向電壓為it0i副邊電流有效值為 【例】 單相橋式整流電路，已知RL=160，要求輸出電壓的平均值為20V，試選擇合適的二極管并確定變壓器副邊電流的有效值。 解：因U0=20 V， Io=Uo/Ro=20/160=125mA流過二極管的平均電流為IDIo125變壓器副邊電壓的有效值為U=Uo二極管承受的最高反向電壓為 查附錄資料，應選用2CZ52B(100 mA，50 V)二極管。 變壓器副邊電流的有效值為 IIo125整流電壓平均值t0uot0uot0uo電 路整流電壓波形二極管平均電流二極管反向電壓副邊電流有效值常見的幾種整流電路UUoIo半波UUoUIo全波UoUIo橋式整流電

16、流平均值t0iot0io電 路整流電流波形副邊電流有效值副邊電流波形t0it0iUUoIo半波UUoUIo全波UoUIo橋式t0iot0iiii6.4.2 濾波電路 整流電路的輸出是單向脈動電壓，除直流分量外，還含有較高的諧波成分，必須在整流電路后加接濾波器，改善輸出電壓的脈動程度。濾波原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 將電容與負載RL并聯(lián)(或將電感與負載RL串聯(lián))，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。1 . 電容濾波電路 TrDRLabuO =uCCD截止D導通t0u0D導通mn0m:變壓器副邊電壓u在正半周上升

17、段，二極管D導通，電流流經(jīng)負載電阻RL，并給電容器C充電。經(jīng)過峰值后，變壓器副邊電壓u按正弦規(guī)律下降，當uuC時，二極管D承受反向電壓截止。 mn:電容器通過負載電阻RL按指數(shù)規(guī)律緩慢放電，uC下降的速度由時間常數(shù)=RLC決定。 +u-uuC單相半波整流(接電容濾波)若負載電阻RL斷開，C無放電回路二極管截止時承受的最高反向電壓+-+單相橋式整流(接電容濾波)t0-+aTrbuRLuoD1D2D3D4C輸出電壓的脈動程度與放電時間常數(shù)RLC有關，C越大，負載越輕(RL 即可達到要求，此時輸出電壓Uo由下式估算：(T:電源電壓的周期)(半波)(全波)uo二極管最高反向電壓 電容濾波電路中元件的選

18、擇：帶電容濾波的橋式整流電路 二極管導通時間比不帶電容濾波的時間短得多二極管將承受較大的沖擊電流，容易造成損壞，在選擇二極管時應留有充分的余地，一般按(23)ID 選擇二極管的最大整流電流。 由于濾波電容保持有電壓輸出，應注意二極管截止時所承受的最高反向電壓UDRM有所不同:帶電容濾波的半波整流電路常用電容器一般在101-103微法，其耐壓值應大于輸出電壓的最大值，一般大容量電容具有極性?！纠?單相橋式整流帶電容濾波的電路，已知交流電源頻率f=50 Hz，負載電阻RL=200 ，要求輸出直流電壓U0=20 V，選擇整流二極管和濾波電容。RLuuoC解：流過負載的平均電流為 流過二極管的電流為 變壓器副邊電壓的有效值，按UOU計算 二極管承受的最高反向電壓為 查附錄可知，應選用2CZ52B(100 mA，50 V)。 RLuuoC電容的選擇應選用C=250 F，耐壓為50 V的電解電容。 2. 電感濾波電路(LC濾波器) TrRLuoCLu當電感線圈的電感量較大時，往往要帶鐵心，使整個電路體積大，笨重。易引起電磁干擾。所以，電感濾波電路只適用于低電壓，大電流的場合。 經(jīng)橋式