1、本章教學目標本章教學目標1 1、了解半導體的結構和導電特性、本征半導體的、了解半導體的結構和導電特性、本征半導體的特點、導電原理、雜質半導體特點、特點、導電原理、雜質半導體特點、PNPN結的特性。結的特性。 2 2、了解二極管的結構，熟悉二極管的單向導電性、了解二極管的結構，熟悉二極管的單向導電性、電路符號、伏安特性、主要參數、溫度對特性的影電路符號、伏安特性、主要參數、溫度對特性的影響、簡單應用。響、簡單應用。 3 3、熟悉穩壓二極管的伏安特性、電路符號及主要、熟悉穩壓二極管的伏安特性、電路符號及主要參數。了解變容二極管、肖特基二極管、快速恢復參數。了解變容二極管、肖特基二極管、快速恢復二極

2、管的特性、電路符號，了解二極管的特性、電路符號，了解SMTSMT與微型二極管與微型二極管基本知識。基本知識。 本章教學目標本章教學目標4 4、熟悉單相半波整流、橋式整流電路組成及工作原、熟悉單相半波整流、橋式整流電路組成及工作原理；選學全波整流電路組成、工作原理；會估算整理；選學全波整流電路組成、工作原理；會估算整流電路直流電壓、會選擇整流二極管；掌握全波、流電路直流電壓、會選擇整流二極管；掌握全波、橋式整流電路中二極管的正確裝接方法；選學倍壓橋式整流電路中二極管的正確裝接方法；選學倍壓整流電路組成工作原理及適用場合。整流電路組成工作原理及適用場合。 5、熟悉電容濾波電路工作原理，會估算輸出電

3、壓，、熟悉電容濾波電路工作原理，會估算輸出電壓，正確選用二極管和電解電容；了解正確選用二極管和電解電容；了解LC濾波電路組成，濾波電路組成，熟悉熟悉RC濾波電路組成，會估算輸出電壓。濾波電路組成，會估算輸出電壓。 1.1 1.1 半導體二極管半導體二極管 半導體二極管是最簡單的電子器件，但應用十分廣泛。其主要用于整流、限幅、開關等。 1.1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識 1半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質。常用的半導體材料有硅（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）和砷化鎵（GaAs）等。 1.1 半導體二極管半導體二極管5空穴產生：價電子獲得能量掙脫原子核吸引和共價鍵束縛后留下的空位，

4、空穴帶正電。 2本征半導體： 純凈的不含任何雜質、晶體結構排列整齊的半導體。 3共價鍵：相鄰原子共有價電子所形成的束縛。 4半導體中有自由電子和空穴兩種載流子參與導電。 圖圖1.1.1 共價健結構與空穴產生示意圖共價健結構與空穴產生示意圖 6半導體的特性 7雜質半導體的分類： (1)N型半導體(N-type semiconductor)：在四價的本征半導體(硅)中摻入微量五價元素(磷)，就形成了N型半導體。 (2)P型半導體(P-type semiconductor)：在四價的本征半導體(硅)中摻入微量三價元素(硼)就形成P型半導體。 8雜質半導體中多數載流子的產生見圖1.1.2。 圖1.1.

5、2 摻雜半導體共價健結構示意圖(a)N型半導體 (b)P型半導體 9總結： (1)N型半導體中自由電子為多數載流子，簡稱多子，空穴為少數載流子，簡稱少子。 (2)P型半導體中空穴為多子，自由電子為少子。 (3)雜質半導體中，多子的濃度主要由摻雜濃度決定，而少子只與溫度有關。 (4)空位與空穴：P型半導體形成共價鍵過程中所形成的空缺的位子為空位，而鄰近共價鍵中電子填補這一空位而形成的空位稱為空穴。 1.1.2 二極管的結構、類型、電路符號二極管的結構、類型、電路符號 1.通過一定的生產工藝把半導體的P區和N區部分結合在一起，則它們的交界處就會形成一個具有單向導電性的薄層，稱為PN結（PN Jun

6、tion）。 圖1.1.3 二極管內部結構示意圖和電路符號(a)內部結構 (b)圖形符號 2.以PN結為管芯，在P區和N區均接上電極引線，并以外殼封裝，就制成了半導體二極管，簡稱二極管。 3.二極管電路符號：箭頭方向表示二極管導通時的電流方向。 4二極管的分類 (1)按所用材料不同劃分：硅管和鍺管； (2)按制造工藝不同劃分： 點接觸型：結電容（Junction capacitance）很小，允許通過的電流也很小（幾十毫安以下），適用于高頻檢波、變頻、高頻振蕩等場合。2AP系列和2AK系列； 面接觸型：允許通過的電流較大，結電容也大，工作頻率較低，用作整流器件。如國產硅二極管2CP和2CZ系列

7、； 硅平面型，2CK系列開關管。 圖1.1. 4 二極管結構(a) 點接觸型 (b)硅面接觸型 (c)硅平面型 5國產半導體器件命名方法。 2AP9，“2”表示電極數為2，“A”表示N型鍺材料，“P”表示普通管，“9”表示序號。1.1.3 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 一、二極管的單向導電性 圖(a)中的開關閉合，燈亮，大電流；圖(b)開關閉合，燈不亮，電流幾乎為零。 圖1.1.5 半導體二極管單向導電性實驗（a)二極管正向偏置 （b)二極管反向偏置 二極管陽極電位高于陰極電位，稱為二極管(PN結)正向偏置，簡稱正偏(Forward bias)； 二極管陽極電位低于陰極電位，稱為二極管(P

8、N結)反向偏置，簡稱反偏(Reverse bias)。 二極管正偏導通，反偏截止的這種特性稱為單向導電性(Onilateral conductivity)。 二、二極管的伏安特性 (Volt-ampere characteristics) 二極管的伏安特性在反向擊穿前可用PN結的電流方程來表示： 式中，Is為反向飽和電流（Reverse saturation current）,室溫下為常數；U為加在二極管兩端電壓；UT為溫度的電壓當量，當溫度為室溫T=27時，UT=26mV，這個數值常用于近似計算。 二、二極管的伏安特性 (Volt-ampere characteristics) 二極管的伏安

9、特性曲線如圖1.1.6所示，分為三部分： (a)正向特性 (b)反向特性 (c)反向擊穿特性圖1.1.6 二極管（硅管）伏安特性曲線 (a)正向特性：OA段為死區，此時正偏電壓稱為死區電壓Uth，硅管0.5V，鍺管0.1V。AB段為緩沖區。BC段為正向導通區。當uUth時，二極管才處于完全導通狀態，導通電壓UF基本不變。硅管為0.70.8V,一般取0.7V，鍺管為0.20.3V，通常取0.2V。當二極管為理想二極管時，UF0。 (b)反向特性：如圖OD段所示，二極管處于截止狀態，在電路中相當于開關處于關斷狀態。 (c)反向擊穿特性：如圖所示，反向電流在E處急劇上升，這種現象稱之為反向擊穿（Re

10、verse breakdown），此時所對應的電壓為反向擊穿電壓UBR。對于非特殊要求的二極管，反向擊穿時會使二極管PN結過熱而損壞。1.1.4 溫度對二極管特性的影響溫度對二極管特性的影響 1、溫度升高1，硅和鍺二極管導通時的正向壓降UF將減小2.5mv左右。 2、溫度每升高10，反向電流增加約一倍。 3、溫度升高UBR下降。 1.1.5 二極管主要參數二極管主要參數 1最大整流電流IF IF為指二極管長期運行時允許通過的最大正向直流電流。 IF與PN結的材料、面積及散熱條件有關。 大功率二極管使用時，一般要加散熱片。 在實際使用時，流過二極管最大平均電流不能超過IF，否則二極管會因過熱而損

11、壞。1.1.5 二極管主要參數二極管主要參數 2最高反向工作電壓URM（反向峰值電壓） URM為二極管在使用時允許外加的最大反向電壓。URM=UBR。 實際使用時，二極管所承受的最大反向電壓值不應超過URM，以免二極管發生反向擊穿。 3反向電流IR IR是指在室溫下，二極管未擊穿時的反向電流值。 4最高工作頻率 二極管的工作頻率若超過一定值，就可能失去單向導電性，這一頻率稱為最高工作頻率。主要由PN結的結電容的大小來決定。 點接觸型二極管結電容較小，可達幾百兆赫茲。 面接觸型二極管結電容較大，只能達到幾十兆赫茲。 必須注意的是，手冊上給出的參數是在一定測試條件下測得的數值。如果條件發生變化，相

12、應參數也會發生變化。因此，在選擇使用二極管時注意留有余量。 1.1.6 二極管管腳識別及性能簡易測試二極管管腳識別及性能簡易測試 二極管陽極、陰極一般在二極管管殼上都注有識別標記，有的印有二極管電路符號，對于玻璃或塑料封裝外殼的二極管，有色點或黑環的一端為陰極。 對于極性不明的二極管，可用萬用表電阻檔測二極管正、反向電阻，加以判斷。 1.1.6 二極管管腳識別及性能簡易測試二極管管腳識別及性能簡易測試二極管性能簡易測試示意圖 可使用萬用表電阻檔通過測量二極管的正、反向電阻值，來判別其陽極、陰極。 可使用萬用表R1k、R100檔對二極管性能進行簡易測試。 1.1.6 二極管管腳識別及性能簡易測試

13、二極管管腳識別及性能簡易測試 用萬用表紅表筆接二極管陰極，黑表筆接二極管陽極測得電阻稱為正向電阻，將黑、紅表筆對調測得電阻為反向電阻。 對于小功率鍺管，若測得正向電阻為1001000，小功率硅管為幾百歐姆至幾千歐姆之間，反向電阻阻值在幾百千歐以上(不論鍺管還是硅管)，說明二極管的性能是正常的。 1.1.6 二極管管腳識別及性能簡易測試二極管管腳識別及性能簡易測試 在用萬用表測二極管極性和性能時，要注意以下問題。（1）小功率二極管測試不能用R10、R1檔，以防過電流損壞二極管；不能用R10k檔，以防過電壓使二極管擊穿。（2）根據二極管功率大小和種類的不同，選擇不同倍率的電阻檔。小功率二極管用R1

14、k、R100檔，中大功率二極管一般選用R10檔或R1檔。（3）同一二極管選用萬用表的型號不同或同一萬用表的檔位不同，所測得阻值會有所不同，這是由于萬用表的內電壓、內電阻不同及二極管的非線性所致。 二極管的種類很多，利用PN結的單向導電性制成的二極管有整流二極管、檢波二極管、開關二極管等。 此外，PN結還有一些其他特性，采用適當工藝方法可制成特種功能用途的二極管，如穩壓二極管（Voltage regulator diode）、變容二極管、肖特基二極管、快速恢復二極管等。 1.2 1.2 特種二極管特種二極管 1.2.1 1.2.1 穩壓二極管（穩壓二極管（Voltage regulator di

15、ode） 一、穩壓二極管及其伏安特性一、穩壓二極管及其伏安特性 反向擊穿時流過二極管的電流在很大范圍內變化，而管子兩端電壓幾乎不變，這一特性稱之為PN結的穩壓特性。穩壓二極管就是通過半導體特殊工藝處理后，使其具有很陡峭的反向擊穿特性的二極管。 穩壓二極管又稱齊納二極管（Zener diode）,簡稱穩壓管。它的電路符號與典型穩壓二極管的伏安特性如圖1.2.1所示。常用穩壓二極管又2CW和2DW系列。 1.2 1.2 特種二極管特種二極管 1.2 1.2 特種二極管特種二極管 圖1.2.1 穩壓二極管電路符號與典型穩壓二極管伏安特性 （a)圖形符號 （b)伏安特性 穩壓二極管實物圖 穩壓管的工作

16、條件穩壓管的工作條件 (1)外加電壓反偏且大于反向擊穿電壓，即工作在反向擊穿區。 (2)工作電流I必須滿足：IZIIZmax。 二、穩壓二極管主要參數 1. 穩定電壓UZ 它是指穩壓管中電流為規定值IZ時的反向擊穿電壓。 2. 動態內阻rZ 它是指穩壓管兩端電壓變化量UZ與相應電流變化量IZ之比值。它反映管子的穩壓性能，rZ越小，穩壓性能越好。 3. 穩定電流IZ 它是指保持穩定電壓UZ時的電流。也就是管子的最小穩定電流IZminIZ。當反向擊穿電流小于IZmin時，管子不能穩壓或效果不好。 4. 最大耗散功率PM和最大工作電流IZM PM為穩壓管所允許的最大功率，IZM為穩壓管允許流過的最大

17、工作電流，超過PM或IZM時，管子因溫度過高而損壞。 PMUZ IZM 通常UZ5V的穩壓管具有負溫度系數，UZ8V的穩壓管具有正溫度系數，而UZ在6V左右時穩壓管（如2DW7型）的溫度系數最小。 5. 穩定電壓的溫度系數T 穩壓管中流過的電流為IZ時，環境溫度每變化1，穩定電壓相對變化量（用百分數表示）稱為穩定電壓的溫度系數。它表示溫度變化對穩定電壓UZ的影響程度。 1.2.2 變容二極管變容二極管 1變容二極管原理、電路符號 變容二極管是利用PN結反偏時結電容大小隨外加電壓而變化的特性制成的。圖1.2.2 變容二極管電路符號 2用途 它主要在高頻電路中用作自動調諧、調頻、調相等，例如在電視

18、接收機的調諧回路中作可變電容等。 1.2.3 1.2.3 肖特基二極管肖特基二極管 肖特基二極管是利用金屬和N型或P型半導體接觸形成具有單向導電性的二極管，因此也稱金屬半導體二極管。其圖形符號如圖1.2.3所示。 圖1.2.3 肖特基二極管電路符號 它在數字集成電路中與晶體三極管做在一起，形成肖特基晶體管，以提高開關速度。還可用作高頻檢波和續流二極管等。 1.2.4 1.2.4 快速恢復二極管快速恢復二極管 快速恢復二極管圖形符號如圖1.2.4所示，它與普通二極管相似，但制造工藝與普通二極管有所不同，在靠近PN結的摻雜濃度很低，以此獲得較高開關速度和較低的正向壓降。它的反向恢復時間為20075

19、0nS，高速的可達10nS，與肖特基二極管相比，其耐壓值要高得多。 它主要用作高速整流元件，在開關電源和逆變電源中作整流二極管，以降低關斷損耗，提高效率和減小噪聲。圖1.2.4 快速恢復二極管電路符號 1.2.5 SMT 1.2.5 SMT與微型二極管簡介與微型二極管簡介 目前，電子元器件正朝著短、小、輕、薄的方向發展。 SMT是未來電子產品裝配的主流。 因采用SMT縮小了安裝尺寸，印制電路板及元器件在高頻情況下而產生的分布電容、分布電感大大減小，在高頻電子儀器設備和高速數字電子儀器設備的裝配中，有著不可替代的優勢，得到廣泛應用。 1.2.5 SMT 1.2.5 SMT與微型二極管簡介與微型二

20、極管簡介 微型元器件（亦稱片狀元器件）具有以下特點：（1）微型化，例如電阻3216R，其外形尺寸為3.2mm1.6mm0.6mm，電容1005C外形尺寸為1.0mm0.5mm0.35mm.。（2）引出端沒有引線或只有很短的引線。（3）能滿足SMT的要求，能實現印制電路板中的印制導線高密度化。例如印制導線的線寬和線距可縮小為0.050.1mm。 1.2.5 SMT 1.2.5 SMT與微型二極管簡介與微型二極管簡介 微型元器件很多，從結構形狀上劃分，有薄片矩形、圓柱形、扁平異形等；從功能上分類，可分為無源微型元件SMC（如片狀電阻器、電容器、電感器、濾波器和陶瓷振蕩器等）和有源微型器件SMD（如

21、微型二極管、晶體三極管、場效應管和數字、模擬集成器件等）。 常見微型二極管有以下三種。 1. 圓柱形無引線二極管 2. 塑封矩形薄片二極管 3. SOT-23封裝片狀二極管 1.2.5 SMT 1.2.5 SMT與微型二極管簡介與微型二極管簡介 圖1.2.5 圓柱型微型二極管圖1.2.6 SOT-23封裝微型二極管 圖1.2.7 SOT-23封裝型二極管內部結構 微型元器件實物圖微型元器件實物圖 1.3.1 1.3.1 單相半波整流電路單相半波整流電路 市電（交流電網）變為穩定的直流電需經過變壓、整流、濾波和穩壓四個過程。 利用二極管的單向導電性，將大小和方向都隨時間變化的工頻交流電變換成單方

22、向的脈動直流電的過程稱為整流。 有時將變壓器、整流電路和濾波電路一起統稱為整流器。 1.3 1.3 二極管整流電路二極管整流電路 單相半波整流電路如圖1.3.1所示，圖中T為電源變壓器,RL為電阻性負載。 圖1.3.1 單相半波整流電路 一、電路工作原理一、電路工作原理 圖1.3.2 半波整流電路波形圖 設變壓器二次繞組的交流電壓u2=2U2sint，式中，U2為二次電壓有效值。u2的波形如圖1.3.2（a）所示。 (1)正半周u2瞬時極性a()，b()，VD正偏導通，二極管和負載上有電流流過。若向壓降UF忽略不計，則uou2。 (2)負半周u2瞬時極性a()，b()，VD反偏截止，IF0，u

23、Du2。 負載RL上電壓和電流波形見圖1.3.2（b）、（c）。uo為u2的半個周期，故稱半波整流電路。uo、iL為單向脈動直流電壓、電流。 二、負載上直流電壓和電流的計算二、負載上直流電壓和電流的計算 負載上的直流電壓是指一個周期內脈動電壓的平均值。 三、整流二極管的選擇（1）IF 二極管的最大整流電流IFID，即IFID=IL=0.45 U2/RL。（2）URM 1.3.2 1.3.2 單相全波整流電路單相全波整流電路 圖1.3.3 變壓器中心抽頭單相全波整流電路 一、電路工作原理一、電路工作原理 整流電路VD1和VD2 輪流導通，所以在交流電的整個周期內都有電壓輸出，因此該電路稱為全波整

24、流電路。二、負載上電壓、電流值二、負載上電壓、電流值 全波整流電路波形如圖1.3.4所示。從圖中可見，全部整流電路負載上得到電壓或電流的平均值是半波整流電路的兩倍，即 圖1.3.4 全波整流電路波形圖 三、整流二極管選擇三、整流二極管選擇 由于在單相全波整流電路中每個二極管只在半個周期內導通，所以流經每個管子的平均電流為IL（AV）一半，所以URMUDM= 22 U2 圖1.3.5 全波整流電路最大反向峰值電壓計算 IFID=1/2IL(AV)=0.45U2/RL 1.3.3 1.3.3 單相橋式整流電路單相橋式整流電路 單相橋式整流電路（Bridge rectifier）如圖1.3.6所示，

25、其中圖（b）為簡化畫法，圖（c）為另一種畫法。 圖1.3.6 單相橋式整流電路(a)原理圖 (b)簡化畫法 (c)另一種畫法 一、電路工作原理一、電路工作原理 （1）u2正半周 u2瞬時極性a()，b()。二極管VD1、VD3正偏導通，VD2、VD4反偏截止。導電回路為aVD1RLVD3b,負載上電壓極性上正下負。 （2）u2負半周 u2瞬時極性a()，b()。二極管VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正偏導通，導電回路為bVD2RLVD4a，負載上電壓極性同樣為上正下負。 波形圖： u2、iD、uo及iL波形如圖1.3.7所示。 二極管正確接法： 錯接二極管會形成很大短路電流而燒毀。正確接

26、法：共陽端和共陰端接負載，而另外兩端接變壓器二次繞組。 圖1.3.7 單相橋式整流電路波形圖 二、負載上電壓、電流值及紋波系數的計算二、負載上電壓、電流值及紋波系數的計算 輸出電壓的平均值Uo(AV)和電流平均值IL（AV）及系數等均與全波整流電路相同，即UO(AV)=0.9U2，IL(AV)=0.9U2/RL。 三、整流二極管的選擇三、整流二極管的選擇 選擇二極管時 ，四、硅橋式整流器簡介四、硅橋式整流器簡介 為使用方便，工廠生產出硅單相半橋整流器和硅單相橋式整流器。半橋整流器為二個二極管串接后封裝引出三個引腳。單相橋式整流器又稱橋堆，它將橋式整流器中四個二極管集中制成一個整體，其外形如圖1

27、.3.8所示。其中標有“”引腳為交流電源輸入端，其余兩腳接負載。圖中標注尺寸單位為：mm。 圖1.3.8 常用橋式整流器(a)QL16型 (b)QL51型橋式整流器實物圖片橋式整流器實物圖片*1.3.4 倍壓整流電路倍壓整流電路 二極管倍壓整流電路（Voltage doubler rectifer）如圖1.3.9所示。圖1.3.9 倍壓整流電路1.3.4 倍壓整流電路倍壓整流電路 1.3.4 倍壓整流電路倍壓整流電路 1.3.4 倍壓整流電路倍壓整流電路 1采用濾波電路的緣由及功用 整流電路輸出的電壓是脈動的，含有較大的脈動成分。這種電壓只能用于對輸出電壓平滑程度要求不高的電子設備中，如電鍍、

28、蓄電池充電設備等。 濾波電路（Filter）的作用：保留整流后輸出電壓的直流成分，濾掉脈動成分，使輸出電壓趨于平滑，接近于理想的直流電壓。 2分類 常用的濾波電路有電容濾波電路（Capacitance filter）、電感濾波（Inductance filter）和RC-型濾波電路等。1.4 1.4 濾波電路濾波電路 一、半波整流電容濾波電路一、半波整流電容濾波電路圖1.4.1 半波整流濾波電路及波形圖 1.4.1 1.4.1 電容濾波電路電容濾波電路 在0t1期間，uo的波形為0A段，近似按輸入電壓上升；t1t2期間，uo波形自A向B緩慢下降；t1t2期間，uo波形又開始按輸入電壓迅速上升，

29、如此不斷重復，使uo 趨于平滑。 半波整流電容濾波電路輸出直流電壓平均值為 UO（AV）=（11.1）U2 一般取UO（AV）=U2 流過二極管的平均電流為 ID（AV）U2/RL 二極管承受的最大反向電壓為 二、二、單相橋式整流電容濾波電路單相橋式整流電容濾波電路 圖1.4.2 單相橋式整流電容濾波電路圖及波形圖 其工作原理與半波整流濾波電路基本相同，不同的是輸出電壓是全波脈動直流電，無論u2是正半周還是負半周，電路中總有二極管導通。 在一個周期內，u2對電容充電二次，電容對負載放電的時間大大縮短，輸出電壓波形更加平滑，波形如圖1.4.2（b）所示，圖中虛線為不接濾波電容時的波形，實線為濾波

30、后的波形，輸出電壓為 U O(AV)1.2U2 在電容濾波電路中，若負載電阻開路，UO=2U2。 濾波電容按下式 選取 =RLC（35）T/2 式中，T是交流電的周期。 濾波電容數值一般在幾十微到幾千微法，視負載電流大小而定，其耐壓值應大于輸出電壓值，一般取1.5倍左右，且通常采用有極性的電解電容。 在濾波電容裝接過程中，切不可將電解電容極性接反，以免損壞電解電容或電容器發生爆炸。 電容濾波電路簡單，輸出電壓Uo較高，脈動較小。但外特性差，適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。 1.4.2 電感電容濾波電路電感電容濾波電路 利用電感線圈中電流變化產生的自感電動勢阻礙電流變化的特性，可組成電感濾波器，電感濾波器的工作頻率越高、電感量越大，濾波效果越好。電感電容濾波電路如圖1.4.3所示。 圖1.4.3 電感電容濾波電路 LC濾波的整流電路