15.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)按物體的導(dǎo)電性能，可將物體分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三類(lèi)。1.導(dǎo)體：電阻率很低、電流易通過(guò)、導(dǎo)電性強(qiáng)的物體。2.絕緣體：電阻率很高、電流不通過(guò)、無(wú)導(dǎo)電能力的物體。3.半導(dǎo)體：它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。半導(dǎo)體是如何導(dǎo)電的？怎樣提高其導(dǎo)電能力？

2

半導(dǎo)體經(jīng)高度提純并制成晶體后，原子間組成某種形式的晶體點(diǎn)陣，這種半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。也就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。一.本征半導(dǎo)體(a)鍺Ge的原子結(jié)構(gòu)(b)硅Si的原子結(jié)構(gòu)3本征半導(dǎo)體導(dǎo)電方式

以硅（Si）元素為例討論、分析硅單晶中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)41）自由電子和空穴的形成

在外界的影響下（如熱、光、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等），使得其共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得一定能量后，電子受到激發(fā)脫離共價(jià)鍵，成為自由電子（帶負(fù)電），共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱(chēng)為“空穴”。價(jià)電子空穴自由電子5

2）載流子的形成在外電場(chǎng)的作用下，價(jià)電子填補(bǔ)空穴，就好像空穴在運(yùn)動(dòng)。而空穴運(yùn)動(dòng)的方向與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的方向相反，空穴運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加上一定方向的電場(chǎng)后，就會(huì)不斷有激發(fā)、復(fù)合過(guò)程，出現(xiàn)兩部分的電流，即

電子電流：自由電子作定向運(yùn)動(dòng)所形成的電；空穴電流：被原子核束縛的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴所形成的電流。自由電子和空穴是運(yùn)載電荷的粒子，稱(chēng)為載流子6二.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體——在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素），而形成的半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體N

型半導(dǎo)體P

型半導(dǎo)體7在硅（或鍺）的晶體中摻人少量的五價(jià)元素（如磷元素），如圖所示，多余的第五個(gè)價(jià)電子很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。1.N型半導(dǎo)體磷原子的結(jié)構(gòu)硅晶體中摻磷出現(xiàn)自由電子8N

型半導(dǎo)體示意圖半導(dǎo)體中的自由電子數(shù)目大量增加，于是有：自由電子數(shù)

＞＞空穴數(shù)多數(shù)載流子

少數(shù)載流子以自由電子導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體，稱(chēng)為電子半導(dǎo)體或

N型半導(dǎo)體（N—typesemiconductor)。9自由電子數(shù)＜＜空穴數(shù)

少數(shù)載流子

多數(shù)載流子以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體，稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體或

P型半導(dǎo)體

(P—typesemiconductor)。硅晶體摻硼出現(xiàn)空穴硼原子的結(jié)構(gòu)2.P

型半導(dǎo)體10摻雜濃度溫度N

型、P

型半導(dǎo)體示意圖

N

型半導(dǎo)體P

型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度取決于少數(shù)載流子濃度取決于11⒈半導(dǎo)體中存在著兩種載流子---自由電子和空穴。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理明顯區(qū)別于導(dǎo)體。⒉在本征半導(dǎo)體中摻微量雜質(zhì)可以控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和參加導(dǎo)電的主要載流子的類(lèi)型。⒊環(huán)境的改變對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能有很大的影響。例如當(dāng)溫度增加或受到光照時(shí)，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力都有所增加。半導(dǎo)體熱敏器件和光敏器件都是利用這一特性制造的。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：

12三.PN

結(jié)多數(shù)載流子要從濃度大的

區(qū)域擴(kuò)散到濃度小的區(qū)域，形成空間電荷區(qū)--PN結(jié)，產(chǎn)生電場(chǎng)，稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)

Ed

；內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，對(duì)少數(shù)載流子又起推動(dòng)作用，這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。13注意：1）空間電荷區(qū)的正負(fù)離子雖帶電，但它們不能移動(dòng)，不參與導(dǎo)電。因區(qū)域內(nèi)的載流子極少，所以空間電荷區(qū)的電阻率很高。2）內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)--PN結(jié)又稱(chēng)為阻擋層或耗盡層。1.PN結(jié)的形成隨Ed擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡Ed不變化形成穩(wěn)定的PN結(jié)142.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?）PN結(jié)加正向電壓內(nèi)電場(chǎng)

EdPN

結(jié)變窄多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移運(yùn)動(dòng)

PN

結(jié)導(dǎo)通（

PN

結(jié)呈現(xiàn)

R)形成正向電流

I152）PN

結(jié)加反向電壓16PN結(jié)變寬多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移運(yùn)動(dòng)

PN

結(jié)截止（PN

結(jié)呈現(xiàn)反向R

）內(nèi)電場(chǎng)

Ed形成反向電流

IP區(qū)接負(fù)極N區(qū)接正極加反向電壓2）PN

結(jié)加反向電壓結(jié)論：PN

結(jié)具有單向?qū)щ娦浴＜诱螂妷?，PN結(jié)導(dǎo)通，正向電流較大，結(jié)電阻很低。加反向電壓，PN結(jié)截止，反向電流很小，結(jié)電阻很高。173）PN

擊穿當(dāng)加在PN結(jié)的反向電壓超過(guò)某一數(shù)值（UBR）時(shí)，反向電流會(huì)急劇增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為反向擊穿。只要PN結(jié)不因電流過(guò)大產(chǎn)生過(guò)熱而燒毀，反向電擊穿與反向截止兩種狀態(tài)都是可逆的。4）PN結(jié)的電容效應(yīng)加在PN結(jié)上的電壓的變化可影響空間電荷區(qū)電荷的變化，說(shuō)明PN結(jié)具電容效應(yīng)。PN結(jié)的結(jié)電容的數(shù)值一般很小，故只有在工作頻率很高的情況下才考慮PN結(jié)的結(jié)電容作用。185.2半導(dǎo)體二極管一.點(diǎn)接觸式和面接觸式二極管的結(jié)構(gòu)D陰極陽(yáng)極二極管符號(hào)19二.伏安特性（V—A特性)硅二極管的伏安特性二極管的伏安特性將二極管分為三種狀態(tài)——截止、導(dǎo)通和擊穿。20

硅二極管的伏安特性鍺二極管的伏安特性211）正向特性：

OA段：當(dāng)UF

＜UT

（死區(qū)電壓）時(shí)外電場(chǎng)不足以克服結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力，故正向電流IF

很小(I

F≈0)，D處于截止?fàn)顟B(tài)。硅(Si)：UT≈0.5V;鍺(Ge):UT≈0.1V。

AB段：當(dāng)UF

＞UT后，Ed↓↓→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)↑↑→IF↑↑→D導(dǎo)通。D導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，硅管約為(0.6~0.7)V，鍺管約為(0.2~0.3)V。分析：222）反向特性O(shè)C段：當(dāng)UR

＜UBR

（擊穿電壓）時(shí)，

CD段：當(dāng)UR

＞UBR

后，PN結(jié)被擊穿，IR隨△UD失去單向?qū)щ娦浴U(kuò)散漂移EdIR

很小D截止。一般情況下，鍺管反向電流IR＞硅管IR反向電流。23綜述：1）二極管的V—A特性為非線性；2）當(dāng)時(shí)，且UD

＞UT

，則D導(dǎo)通；3）當(dāng)-UBR

＜UD

＜UT

，有IR≈0，則D截止；4）當(dāng)時(shí)，且絕對(duì)值UR

＞UBR

，則反向擊穿燒壞。24三.主要參數(shù)1）最大整流電流IFM

二極管長(zhǎng)時(shí)間可靠工作時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。

2）最高反向工作電壓URM

保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。URM=（擊穿電壓）/23）最大反向電流IRM

當(dāng)二極管加上反向工作峰值電壓時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向電流。IRM越小，單向?qū)щ娦院谩?5

二極管的應(yīng)用很廣，其基本電路有整流電路、開(kāi)關(guān)電路、限幅電路等。由于二極管是非線性器件，分析電路時(shí)常采用模型分析法。

理想模型恒壓模型

5.3二極管基本電路及分析方法26

例1.

當(dāng)輸入電壓為ui

，試?yán)L出輸出電壓uo

波形。設(shè)U

c

(0+)=0，tp>>RC，D為理想二極管。整流作用微分電路27

例2.

開(kāi)關(guān)電路如圖所示，當(dāng)輸入端UA=3V，UB=0V,試求輸出端Y的電位UY。解：∵UA=3V，UB=0V∴DA優(yōu)先導(dǎo)通，DB截止；則

UY=UA－UD=3－0.7(0.3)=2.3(2.7)V例2圖UAUBU02.3032.3332.300-0.7101011111000電路的邏輯關(guān)系為或邏輯二極管具有鉗位作用28

例3.

限幅（削波）作用電路如圖所示，求uo

及畫(huà)出波形。解：1）當(dāng)ui

＞E時(shí)，

D導(dǎo)通；∴uo=UD+E≈E2)當(dāng)ui＜E時(shí),

D截止，∴uo=ui295.4穩(wěn)壓二極管（DZ)穩(wěn)壓二極管的工作機(jī)理是利用PN結(jié)的擊穿特性。一.V—A特性、符號(hào)、狀態(tài)DZDZ30分析：1）穩(wěn)壓管的正向特性與二極管相同。2）穩(wěn)壓管的反向特性O(shè)A段：當(dāng)0＜U＜UZ

（反向擊穿電壓，數(shù)值較?。r(shí)，IZ很小，穩(wěn)壓管截止；AB段：當(dāng)U≥UZ

時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿，I

Z

很大，雖△

I

Z變化范圍很大，但DZ

穩(wěn)壓管兩端的電壓△UZ

變化很?。惑w現(xiàn)了穩(wěn)壓特性。

由此得知：1）穩(wěn)壓管的V—A特性為非線性，且反向特性很陡，；2）穩(wěn)壓管有導(dǎo)通、截止、擊穿三個(gè)狀態(tài)，常工作于反向擊穿狀態(tài)。31二.主要參數(shù)1).穩(wěn)定電壓UZ

DZ在正常工作下管子兩端的電壓，也就是它的反向擊穿電壓。2).穩(wěn)定電流IZ

DZ在穩(wěn)定電壓工作管子中的工作電流。3).動(dòng)態(tài)電阻rZ

DZ管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。即（動(dòng)態(tài)電阻愈小，穩(wěn)壓性能愈好。）32

例1.電路如圖所示，設(shè)穩(wěn)壓管DZ1

和DZ2

的穩(wěn)定電壓分別為5V和10V,試求出輸出電壓UＯ，判斷穩(wěn)壓管所處的工作狀態(tài)。已知穩(wěn)壓管正向電壓為0.7V。解：

當(dāng)DZ1

和DZ2斷開(kāi)時(shí)，同時(shí)加有25V反向電壓。由于ＵDZ1＜ＵDZ2小，DZ1先被擊穿，UO＝5V，因而DZ1處于擊穿狀態(tài)，DZ2處于截止?fàn)顟B(tài)。335.5二極管和穩(wěn)壓管在直流電源中的應(yīng)用

半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖。基本要求：理解單相整流、濾波、穩(wěn)壓電路的工作原理，掌握設(shè)計(jì)全波整流、電容濾波電路的方法。34圖中各環(huán)節(jié)的功能如下：1.變壓：將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。2.整流電路：將交流電壓變換為單向脈動(dòng)的直流電壓。3.濾波電路：減小整流電壓的脈動(dòng)程度，以適合負(fù)載的需要。4.穩(wěn)壓環(huán)節(jié)：在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，使直流輸出電壓穩(wěn)定。35一、變壓利用變壓器將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。變壓器結(jié)構(gòu)、符號(hào)和參數(shù)i1i2U1變比K=U2額定容量SN=UN2IN236二、整流電路2）工作原理u1

經(jīng)Tr

u2

波形圖

u2≤0u2

＞0D導(dǎo)通uo=u2;D截止uo=0;

1.單相半波整流電路1）.電路組成373）主要參數(shù)(1)單相半波整流電壓的平均值UO(2)單相半波整流電流的平均值IO38(3)二極管中的平均電流ID(4)二極管承受的最大反向電壓UDRM4）整流元件的選擇根據(jù)ID、UDRM選擇合適的整流元件D;391）.電路組成：原理圖如圖所示單相橋式整流電路圖2.單相橋式整流電路402）工作過(guò)程當(dāng)u2

＞0(正半周)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4

截止。i2的通路是a→D1

→RL

→

D3

→

b;當(dāng)u2

＜0(負(fù)半周)，D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。i2

的通路是b→

D2

→RL

→

D4

→

a;41單相橋式整流電路波形圖423）主要參數(shù)(1)單相橋式整流電壓的平均值UO(2)單相橋式整流電流的平均值IO43(3)二極管中的平均電流ID(4)二極管承受的最大反向電壓UDRM444）整流元件及變壓器的選擇(1)根據(jù)ID、UDRM

選擇整流電路元件D1～D4;(2)根據(jù)負(fù)載RL的要求決定變壓器副邊的有效值，∵UO=0.9U2,IO=0.9I2∴U2=1.11UO,I2=1.11IO

(3)根據(jù)U2、I2和電源電壓U1選擇變壓器。變比：K=U1/U2

容量：S=I2×U2

45例1:

已知負(fù)載電阻RL＝80Ω，負(fù)載電壓Uo＝110V。今采用單相橋式整流電路，交流電源電壓為380V。(1)如何選用二極管?(2)求整流變壓器的變比及容量。解:(1)二極管:選擇:IFM>0.69A，URM>172.8V。46(2)整流變壓器的變比和容量：變比∵I2=1.11IO≈1.53A∴變壓器的容量

S=I2×U2=1.53×122.21≈187VA選擇變壓器

K=4S>187VA47三、濾波電路1.電容低通濾波器1）.電路組成2）.工作過(guò)程分析:

設(shè)uC(0-)=0,(1)u2＞0(正半周)a)

當(dāng)0＜u2

＜U2m

D1、D3導(dǎo)通，D2、D4

截止，iD=iC+iO,uC=uO，電容充電。49b)

當(dāng)u2

＜uC，且π/2

＜ωt

＜π時(shí)D1、D3、D2、D4截止

，iD=0，iC=

iO,uC=uO，電容向負(fù)載放電。50(2)u2

＜0(負(fù)半周)，a)在π＜ωt

＜3π/2，當(dāng)uC＜|u2|＜U2m

時(shí)，D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止，有:iD=iC+iO,uC=uO，電容充電。b)在3π/2＜ωt

＜2π，當(dāng)|u2|＜uC

時(shí)，D1～D4截止

，有:iD=0，iC=iO,uC=uO，電容放電。(3)此后，電容周期性的充電、放電。3）.參數(shù)估算放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC，若RL愈大，即τ愈大，則uO

愈平坦，脈動(dòng)愈小，UO

值愈高。因此，輸出電壓受負(fù)載變化的影響較大，電容濾波電路的外特性較差。為得到較好的濾波效果，一般取:52(1)C=(3~5)T/(2RL)(2)在(1)條件下，有：UO=(1.1~1.2)U2,

一般?。篣O=1.2U2(3)輸出電流平均值：(4)整流管中的平均電流值：在U2=0的瞬間加C在U2最大瞬間加C例2:

有一單相橋式電容濾波整流電路，已知交流電源頻率f＝50HZ，U1=220V，負(fù)載電阻RL＝1000Ω，要求直流輸出電壓uo＝30V，選擇整流二極管及濾波電容器。解:(1)選擇整流二極管∴ID=IO=30mA取:UO=1.2U2

，則:U2=UO/1.2=25V∴故選用整流二極管為2CP11，其IF=100mA,UDRM=50V。54(2)選擇濾波電容器據(jù)式τ=RL×C≥（3～5）T/2

取RL×C=5T/2

且f=50HZT=1/f=0.02s552.電感低通濾波器1）.電路組成電感低通濾波電路562）.分析(1)∵XL=ωL，隨諧波f↑→XL

↑∴可以減弱整流電壓中的交流分量，在負(fù)載上可得到低頻分量；(2)∵當(dāng)f=0時(shí)，XL=0，∴直流分量全部降在負(fù)載RL上?？梢?jiàn)，XL濾去高次諧波，輸出端得到較為平坦的輸出電壓。57四、穩(wěn)壓電路1.并聯(lián)穩(wěn)壓電路1）.電路組成并聯(lián)穩(wěn)壓電路58

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)有：

UO=UZ=Ui－IR*R(6.9)

IR=

IZ+

IO(6.10)

(1)RL

不變，Ui

波動(dòng)的穩(wěn)壓過(guò)程：

UiUO、UZIZIRURU