1、電子技術(shù)與實踐電子技術(shù)與實踐 項目一項目一 直流穩(wěn)壓電源分析與調(diào)試直流穩(wěn)壓電源分析與調(diào)試 理論教案一理論教案一 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用 主講人：主講人：張艷陽張艷陽 一、課程介紹一、課程介紹、課程地位與作用、課程地位與作用電子技術(shù)與實踐1課程是電類專業(yè)電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課程程，通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握常用半導(dǎo)體器件和典型集成運放的特性與參數(shù)，掌握低頻電子線路的組成、工作原理、性能特點、基本分析方法和脈沖電路和數(shù)字電路的工作原理、分析方法和設(shè)計方法；學(xué)會使用常用的電子儀器儀表和工具、識別電路原理圖、制作簡單的印制板電路；掌握電子產(chǎn)品的裝配和調(diào)試方法和技能，從而具有

2、一定的電子電路理論知識、實踐技能、應(yīng)用能力及分析問題和解決問題的能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程如單片機系統(tǒng)分析與調(diào)試、信號檢測與控制等提供必備的電子技術(shù)基本知識、基本理論和基本技能。 、課程專業(yè)能力目標(biāo)、課程專業(yè)能力目標(biāo)（1）學(xué)會萬用表、示波器、信號發(fā)生器、直流電源等常用電子儀器的使用方法；（2）學(xué)會常用電子元器件的識別與測試；（3）能根據(jù)電路原理圖及電路板圖，選用合適的元器件，正確地組裝實用低頻電路及實用數(shù)字邏輯電路，并學(xué)會排除電路的故障；（4）能獨立完成電子電路的制作與調(diào)試，能分析和查找問題并排除故障并學(xué)會實踐報告寫作；（5）學(xué)會獨立獲取和利用信息，把英語作為分析利用技術(shù)資料的輔助工具；（6）能

3、以團(tuán)隊的形式完成“直流穩(wěn)壓電源電路”和“測頻電路”工作任務(wù)，并能夠用正確的專業(yè)語言進(jìn)行溝通。運用正確的方法制定工作計劃、時間計劃和學(xué)習(xí)計劃。在充分考慮技術(shù)安全的前提下，自覺的承擔(dān)工作任務(wù)。、課程考核要求、課程考核要求（）平時成績(上課+作業(yè)) 的比例為30%（）（實驗+實踐制作)成績的比例為40%（）筆試成績的比例為30% 期評成績期評成績平時成績平時成績+ +（實驗（實驗+ +實訓(xùn)實訓(xùn)+ +作品作品) )成績成績+ +筆試成績筆試成績 筆試在下學(xué)期預(yù)備周考試！筆試在下學(xué)期預(yù)備周考試！二、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識二、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識物物質(zhì)質(zhì)的的分分類類導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)電能力很強導(dǎo)電能力很強。如：金、銀、銅等如：

4、金、銀、銅等絕緣體絕緣體不導(dǎo)電不導(dǎo)電。如：橡膠、塑料、云母、陶瓷等如：橡膠、塑料、云母、陶瓷等半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)電弱，介于導(dǎo)體和絕緣體之間導(dǎo)電弱，介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如：硅、鍺、硒等。如：硅、鍺、硒等。（一）（一）半半導(dǎo)導(dǎo)體體特特性性熱敏性熱敏性導(dǎo)電能力對溫度反應(yīng)靈敏，導(dǎo)電能力對溫度反應(yīng)靈敏，受溫度影響大。溫度升高，導(dǎo)電能力增強。受溫度影響大。溫度升高，導(dǎo)電能力增強。利用熱敏性可制成熱敏元件（如熱敏電阻）。利用熱敏性可制成熱敏元件（如熱敏電阻）。光敏性光敏性導(dǎo)電能力隨光照的不同而不同，導(dǎo)電能力隨光照的不同而不同，當(dāng)光照增強時，導(dǎo)電能力增強。當(dāng)光照增強時，導(dǎo)電能力增強。利用光敏性可制成光敏元件（如

5、光敏電阻）。利用光敏性可制成光敏元件（如光敏電阻）。摻雜性摻雜性導(dǎo)電能力受雜質(zhì)影響極大，在純導(dǎo)電能力受雜質(zhì)影響極大，在純凈半導(dǎo)體中只要摻入極微量的雜質(zhì)（其它凈半導(dǎo)體中只要摻入極微量的雜質(zhì)（其它純純凈元素凈元素），導(dǎo)電能力就急劇增加。由此制成），導(dǎo)電能力就急劇增加。由此制成如二極管、三極管、場效應(yīng)管等其它器件。如二極管、三極管、場效應(yīng)管等其它器件。（二）（二）（三）（三）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體純凈無摻雜的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。純凈無摻雜的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的本征半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。 (1) 共價鍵結(jié)構(gòu)(2) 電子空穴對 (3) 空穴的移

6、動弄弄清清三三個個問問題題（1 1）共價鍵結(jié)構(gòu)）共價鍵結(jié)構(gòu)空間排列有序的晶體 以 硅原子硅原子(Si)為例： (a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 電子空穴對：載流子（Carrier) 本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡! 本征激發(fā)和復(fù)合的過程 （2）電子空穴對 本征激發(fā)（熱激發(fā)） T=0 K時電子(- )空穴(+)復(fù)合 (3) 空穴的移動(導(dǎo)電）空穴的運動 = 相鄰共價鍵中的價電子反向依次填補空穴來實現(xiàn)的（四）（四）雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體）本征半導(dǎo)體缺點？1、電子濃度=空穴濃度；2、載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！(1) N型半導(dǎo)體(2) P型

7、半導(dǎo)體(3) 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響弄弄清清三三個個問問題題 （1）N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）摻摻 雜雜：施主雜質(zhì)正離子少量摻入五價雜質(zhì)元素（如：磷）特特 點：點：多多數(shù)載流子子：自由電子（主要由雜質(zhì)原子提供）少少數(shù)載流子子：空穴（ 由熱激發(fā)形成） （2）P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）受主雜質(zhì)負(fù)離子特特 點：點：多子多子：空穴（主要由雜質(zhì)原子提供）少子少子：電子（ 由熱激發(fā)形成）摻摻 雜雜：少量摻入三價雜質(zhì)（如硼、鎵和銦等）(3) 雜質(zhì)對半導(dǎo)體 導(dǎo)電性的影響 影響很大。載流子數(shù)目劇增 T=300 K室溫下,本征硅的 電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4

8、.961022/cm3 3 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的 自由電子濃度: n=51016/cm3典型數(shù)據(jù)如下:（五）（五）PNPN結(jié)及單向?qū)щ娦越Y(jié)及單向?qū)щ娦詧D01.06 PN結(jié)的形成過程1、PN結(jié) 形成兩種載流子的兩種運動達(dá)到動態(tài)平衡時就形成PN結(jié)兩種運動：擴散（濃度差） 漂移（電場力）（1）電子或空穴在電場的作用下定向移動稱為漂移電子或空穴在電場的作用下定向移動稱為漂移 如圖（如圖（A）所示。）所示。（2）載流子由濃度高流向濃度低的的運動為擴散。圖（）載流子由濃度高流向濃度低的的運動為擴散。圖（B）所）所示示。電流電流I。.空穴空穴 。電子電子（A）電場作用下的漂移運動）電場作用下的漂移運動

9、（B）空穴擴散示意）空穴擴散示意漂移和擴散漂移和擴散PN結(jié)形成過程：結(jié)形成過程： P N+-+由于接觸面載由于接觸面載流子運動形成流子運動形成PN結(jié)結(jié)示意圖示意圖內(nèi)電場- +擴散運動擴散運動漂移運動漂移運動PN結(jié)結(jié)變窄變窄P N+ - R 外加正向電壓示意外加正向電壓示意(導(dǎo)電）導(dǎo)電）PN結(jié)結(jié)變寬變寬P N- + R 外加反向電壓示意（截止）外加反向電壓示意（截止）正向電流If反向電流IsPN結(jié)加正向電壓時結(jié)加正向電壓時電阻很小，電流大電阻很小，電流大。加反向電壓時。加反向電壓時電阻很大，電流小。電阻很大，電流小。、實質(zhì)PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場=電阻、 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?/p>

10、單向?qū)щ娦裕?PN結(jié)正偏時導(dǎo)通（大電流）， PN結(jié)反偏時截止（小電流）。 半導(dǎo)體二極管是由一個半導(dǎo)體二極管是由一個PNPN結(jié)、兩個電極結(jié)、兩個電極和管殼等三部分構(gòu)成和管殼等三部分構(gòu)成結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型類型按材料分類按材料分類按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類按用途分類按用途分類硅管、鍺管硅管、鍺管點接觸型點接觸型普通二極管、整流二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二普通二極管、整流二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、光電二極管、穩(wěn)壓二極管、遂道二極管等極管、光電二極管、穩(wěn)壓二極管、遂道二極管等面接觸型面接觸型硅平面型硅平面型陽極陽極陰極陰極金屬支架金屬支架正極引線正極引線負(fù)極引線負(fù)極引線金銻合金金銻合金P P型硅型硅鋁合金小球鋁

11、合金小球N N型硅片型硅片陽極引線陽極引線陰極引線陰極引線N N型鍺片型鍺片金屬觸絲金屬觸絲管殼管殼二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層負(fù)極引線負(fù)極引線陽極引線陽極引線N N型硅型硅P P型硅型硅常用二極管的電路符號常用二極管的電路符號發(fā)光二極管發(fā)光二極管光電二極管光電二極管二二極極管管的的外外型型面接觸型二極管特點：面接觸型二極管特點：結(jié)面積大、結(jié)電容大，允許通過結(jié)面積大、結(jié)電容大，允許通過較大的電流，較大的電流，適用于低頻整流。適用于低頻整流。硅平面型二極管特點：硅平面型二極管特點：結(jié)面積大的可用于大功率整流；結(jié)結(jié)面積大的可用于大功率整流；結(jié)面積小的，結(jié)電容大，面積小的，結(jié)電容大，適用于脈沖數(shù)字電

12、路，作為開關(guān)管適用于脈沖數(shù)字電路，作為開關(guān)管使用。使用。點接觸型二極管特點：點接觸型二極管特點：結(jié)面積小，因此結(jié)電容小，允許通結(jié)面積小，因此結(jié)電容小，允許通過的電流也小，過的電流也小，適用于高頻電路的檢波或小電流的整流適用于高頻電路的檢波或小電流的整流。R RWWV VR RDDR RWWV VR RDD伏安特性方程：伏安特性方程：) 1(TSUueIiODOD段段稱為正向特性。稱為正向特性。OCOC段段，正向電壓較小，正向電壓較小，正向電流非常小，只有當(dāng)正向電流非常小，只有當(dāng)正向電壓超過某一數(shù)值時，正向電壓超過某一數(shù)值時，才有明顯的正向電流，這才有明顯的正向電流，這個電壓稱為死區(qū)電壓，亦個電

13、壓稱為死區(qū)電壓，亦稱開啟電壓。稱開啟電壓。CDCD段段，當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流近似當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流近似以指數(shù)規(guī)律迅速增長，二極管呈現(xiàn)充分導(dǎo)通狀態(tài)。以指數(shù)規(guī)律迅速增長，二極管呈現(xiàn)充分導(dǎo)通狀態(tài)。1 1 正向特性正向特性ADCBiDuDOUBRA ADDC CB BiDuDo oU UBRBROBOB段稱為反向特性。段稱為反向特性。這時二極這時二極管加反向電壓，反向電流很小管加反向電壓，反向電流很小。當(dāng)溫度升高時，半導(dǎo)體中本征激發(fā)當(dāng)溫度升高時，半導(dǎo)體中本征激發(fā)增加，使少數(shù)載流子增多，故反向增加，使少數(shù)載流子增多，故反向電流增大，特性曲線向下降。電流增大，特性曲線向下降。

14、3 3 反向擊穿特性反向擊穿特性BABA段稱為反向擊穿特性段稱為反向擊穿特性當(dāng)二極管外加反向電壓大于一定數(shù)值時，反向電流當(dāng)二極管外加反向電壓大于一定數(shù)值時，反向電流突然劇增，稱為二極管反向擊穿。突然劇增，稱為二極管反向擊穿。2 2 反向特性反向特性2CP10 20的伏安特性曲線iDouD-200-10020406080100-10-30-207520(mA)(v)(A)12 材料材料開啟電壓（開啟電壓（V）導(dǎo)通電壓（導(dǎo)通電壓（V）反向飽和電流（反向飽和電流（A）硅（硅（Si） 0.5 0.5 0.61 0.1 0.1鍺（鍺（Ge） 0.1 0.1 0.20.5 幾十幾十二極管的伏安特性對溫度很

15、敏感，溫度升高時，二極管的伏安特性對溫度很敏感，溫度升高時，正向特性曲線向左移正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移反向特性曲線向下移。參數(shù)參數(shù)對器件性能的定量描述對器件性能的定量描述器件使用的極限條件（參數(shù)）器件使用的極限條件（參數(shù)）兩大類兩大類半導(dǎo)體半導(dǎo)體二極管二極管的主要的主要參數(shù)參數(shù)最大整流電流最大整流電流IF最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR反向電流反向電流IR最大工作頻率最大工作頻率fM二極管長期運行時允許通過的最大正向平均電流。二極管長期運行時允許通過的最大正向平均電流。管子使用時允許加的最大反向電壓。管子使用時允許加的最大反向電壓。二極管未發(fā)生擊穿時的反向電流值。二極管未發(fā)生

16、擊穿時的反向電流值。二極管單向?qū)щ娮饔瞄_始明顯退化時的交流信號的頻率。二極管單向?qū)щ娮饔瞄_始明顯退化時的交流信號的頻率。為簡化分析計算，在一定的條件下可以近似用為簡化分析計算，在一定的條件下可以近似用某些線性電路來等效實際的二極管。某些線性電路來等效實際的二極管。（一）（一）理想二極管理想二極管等效電路等效電路（模型）（模型）當(dāng)外加正向電壓時，二極當(dāng)外加正向電壓時，二極管導(dǎo)通，正向壓降管導(dǎo)通，正向壓降u uD D=0,=0,相當(dāng)于開關(guān)閉合；相當(dāng)于開關(guān)閉合； iDuD0D特性曲線的近似特性曲線的近似等效電路等效電路當(dāng)外加反向電壓時，二極當(dāng)外加反向電壓時，二極管截止，反向電流管截止，反向電流IR=

17、0，相當(dāng)于開關(guān)斷開。相當(dāng)于開關(guān)斷開。( (二）考慮二）考慮正向壓降正向壓降的等效電路（衡壓降模型）的等效電路（衡壓降模型）DKUD在二極管充分導(dǎo)通且工在二極管充分導(dǎo)通且工作電流不是很大時，可作電流不是很大時，可以近似認(rèn)為以近似認(rèn)為U UD D為常數(shù)，為常數(shù)，用一個直流電壓源用一個直流電壓源U UDD來等效正向?qū)ǖ亩O來等效正向?qū)ǖ亩O管。管。特性曲線的近似特性曲線的近似等效電路等效電路iDuDUD0說明：說明：鍺管的死區(qū)電壓為鍺管的死區(qū)電壓為0.1V,0.1V,硅管的死區(qū)電壓為硅管的死區(qū)電壓為0.4V;0.4V;鍺管與硅管相比，具有正向壓降低（鍺管鍺管與硅管相比，具有正向壓降低（鍺管0.2

18、0.20.3V0.3V，硅管，硅管0.50.50.7V0.7V）、反向飽和漏電流）、反向飽和漏電流大、溫度穩(wěn)定性差等特點。大、溫度穩(wěn)定性差等特點。（三）（三）二極管的命名方法二極管的命名方法國產(chǎn)二極管的命名由國產(chǎn)二極管的命名由5 5部分組成，如下圖所示。其中部分組成，如下圖所示。其中第二、三部分各字母含義如下表所示。第二、三部分各字母含義如下表所示。 第第 二二 部部 分分第第 三三 部部 分分字字 母母意意 義義字字 母母意意 義義字字 母母意意 義義A AN N型鍺材料型鍺材料P P普通二極管普通二極管S S隧道二極管隧道二極管B BP P型鍺材料型鍺材料W W穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管U U光

19、電二極管光電二極管C CN N型硅材料型硅材料Z Z整流二極管整流二極管N N阻尼二極管阻尼二極管D DP P型硅材料型硅材料K K開關(guān)二極管開關(guān)二極管L L整流堆整流堆附表：附表： 第二、三部分各字母含義第二、三部分各字母含義【舉例】【舉例】 某二極管的標(biāo)號為某二極管的標(biāo)號為2BS212BS21，其含義是：，其含義是：P P型鍺材料隧道二極管，如下圖所示。型鍺材料隧道二極管，如下圖所示。（四）二極管的檢測（四）二極管的檢測萬用表使用說明：模擬萬用表的黑表筆是萬用表內(nèi)部電源的正極，紅表筆則是負(fù)極；數(shù)字萬用表的紅表筆是萬用表內(nèi)部電源的正極，黑表筆則是負(fù)極；歐姆表的R、 R10、R100、RK檔用

20、的內(nèi)部電源為V，R10K檔用的內(nèi)部電源為V。對于普通二極管的測量：對于普通二極管的測量：(1) 用萬用表R100或R1k擋測其正、反向電阻，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦钥芍?，測得阻值小時與黑表筆相接的一端為正極；反之，為負(fù)極。若二極管的正、反向電阻相差越大，說明其單向?qū)щ娦栽胶谩?(2) 若二極管正、反向電阻都很大，說明二極管內(nèi)部開路；若二極管正、反向電阻都很小，說明二極管內(nèi)部短路。 (3) 注意:不能用R1擋（內(nèi)阻小，電流太大）和R10k擋（電壓高）測試，否則有可能會在測試過程中損壞二極管。對于穩(wěn)壓二極管的測量對于穩(wěn)壓二極管的測量、穩(wěn)壓二極管介紹、穩(wěn)壓二極管介紹符號、伏安特性和典型應(yīng)用電路(a)(

21、a)符號利用利用PN結(jié)反向擊穿的特性，可以制成穩(wěn)壓二極管。結(jié)反向擊穿的特性，可以制成穩(wěn)壓二極管。I（mA)正向電流IfU（V）正向正向0.6反向擊穿電壓反向擊穿電壓UZ正向?qū)妷赫驅(qū)妷篣D0擊穿擊穿電流IRPN結(jié)結(jié)V-A特性特性 曲線曲線IU+UZ電路符號電路符號(c)應(yīng)用電路(b)(b) 伏安特性工作原理：工作原理：1、正偏時：就是普通二極管。、正偏時：就是普通二極管。Si管管壓降為管管壓降為0.5-0.7V；Ge管管壓降為管管壓降為0.2-0.3V。2、反偏時：當(dāng)電源電壓小于、反偏時：當(dāng)電源電壓小于Vz，截止；當(dāng)電源電壓大于等于截止；當(dāng)電源電壓大于等于Vz，則反向擊穿導(dǎo)通，穩(wěn)壓，則

22、反向擊穿導(dǎo)通，穩(wěn)壓二極管兩端電壓為二極管兩端電壓為Vz。主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管擊穿后電流變化很大。而電壓基本不變的電壓。不同的穩(wěn)壓管有不同的穩(wěn)定電壓。（2）動態(tài)電阻rz（3）最大穩(wěn)定電流 IZM，由最大耗散功率和穩(wěn)定電壓決定。（4）最大耗散功率 PZM，工作時的功率PZ=IZUZ（5）溫度系數(shù)；衡量由于溫度變化而使穩(wěn)定電壓UZ變化的參數(shù)。一般UZ大于6伏的為正溫度系數(shù)。小于6伏為負(fù)溫度系數(shù)、穩(wěn)壓二極管的測量：、穩(wěn)壓二極管的測量：用萬用表用萬用表R R100100或或R R1k1k擋測有其正、反向電阻擋測有其正、反向電阻（SiSi管正向電阻為幾百歐幾千歐、反向電阻為幾百千歐以上；管正向電阻為幾百歐幾千歐、反向電阻為幾百千歐以上；GeGe管正向電阻為幾十歐幾百歐、反向電阻為幾十千歐以管正向電阻為幾十歐幾百歐、反向電阻為幾十千歐以上）上），說明是性能好的二極管，測得阻值小時與黑表筆相，說明是性能好的二極管，測得阻值小時與黑表筆相接的一端為正極；反之，為負(fù)極。接的一端為正極；反之，為負(fù)極。 如果用萬用表如果用萬用表R R1 1k k擋測上述二極管的反向電阻，擋測上述二極管的反向電阻，阻值也很小，說明該二極