第一章晶體二極管及整流電路

半導體的問世是在1948年，其核心是具有單向導電性的PN結。在實際應用中的二極管種類很多，用途也十分廣泛，掌握二極管的特性和應用常識是本章的重點。在功率變換中，二極管的主要用途是構成整流器，將交流電變換為直流電。

半導體的主要特性

晶體二極管

整流電路

濾波電路

特種二極管及應用

本章小結1

第一節半導體的主要特性一、什么是半導體導體

容易傳導電流的物質，如電纜的線芯所使用的銅、鋁等金屬。絕緣體

能夠可靠地隔絕電流的物質，如電纜的包皮所使用的橡膠、塑料等。半導體導電能力介于導體與絕緣體之間的物質，硅（Si）、鍺（Ge）是最常見的用于制造各種半導體器件的材料。二、電子技術的核心是半導體摻雜性在純凈的半導體中摻入極其微量的雜質元素，則它的導電能力將大大增強。應用摻雜技術可以制造出各種半導體元器件。熱敏性溫度升高，將使半導體的導電能力大大增強。光敏性對半導體施于光線照射，光照越強，導電能力越強。2半導體材料硅有四個價電子，通過共價鍵結合起來，如圖所示。

在常溫下，大多數的價電子均被束縛在原子周圍，不易自由移動，所以導電能力也較弱。

半導體受熱或用光進行照射時，部分價電子獲得足夠的能量，得以掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子和空穴，這就是半導體具有熱敏性和光敏性的原因。半導體晶體結構示意圖

三、P型半導體和N型半導體1．P型半導體

P型半導體是在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素。這類摻雜后導體的特點是：空穴數量多，自由電子數量少，故又稱為空穴半導體。2．N型半導體

N型半導體是在純凈半導體硅或鍺中摻入微量磷、砷等5價元素，這類雜質半導體特點是：自由電子數量多，空穴數量少，故又稱為電子半導體。3二極管的結構如下圖所示，在P型與N型半導體的交界面會形成一個具有特殊電性能的薄層，稱為PN結。從P區引出的電極作為正極，從N區引出的電極作為負極。二極管基本結構二極管圖形符號二、二極管的導電特性1.觀察二極管的導電特性

圖（a）圖（b）按圖（a）連接電路，此時小燈泡亮，表示二極管加正向電壓而導通。按圖（b）連接電路，此時小燈泡不亮，表示二極管加反向電壓而截止。通過觀察以上實驗證實，二極管具有單向導電性。52.二極管主要特性曲線二極管的電流iD與加在二極管兩端的電壓vD的關系曲線，稱為二極管伏安特性曲線。（1）正向特性

死區當二極管外加正向電壓較小時，正向電流幾乎為零。

正向導通區當二極管正向電壓大于死區電壓Vth時，電流隨電壓增加，二極管處于導通狀態。

導通電壓硅二極管約為0.7V，鍺二極管約為0.3V。（2）反向特性

反向截止區

當二極管承受的反向電壓未達到擊穿電壓V（BR）時，二極管呈現很大電阻。

反向擊穿區

當二極管承受的反向電壓已達到擊穿電壓V（BR）時，反向電流急劇增加，該現象稱為二極管反向擊穿。二極管伏安特性曲線62AP1

二極管N型鍺材料普通管器件序號二極管型號的讀識

三、二極管器件手冊的使用1．二極管型號

國產二極管的型號由五部分組成。

第一部分是數字“2”，表示二極管。第二部分是用拼音字母表示管子的材料。

A——N型鍺材料，B——P型鍺材料，

C——N型硅材料，D——P型硅材料。

第三部分是用拼音字母表示管子的類型。第四部分用數字表示器件的序號。

第五部分用拼音字母表示規格號。73．二極管的選用

按材料分類，二極管主要有鍺二極管和硅二極管兩大類。前者內部多為點接觸型結構，允許的工作溫度較低，只能在100℃以下工作；后者內部多為面接觸型或平面型結構，允許的工作溫度較高，有的可達150~200℃。

普通二極管（如2AP等系列）的IFM較小，fM一般較高，主要用于信號檢測、取樣、小電流整流等。

整流二極管（2CZ、2DZ等系列）的IFM較大，fM很低，廣泛使用在各種電源設備中作整流元件。穩壓二極管（2CW、2DW）用在各種穩壓電源和晶閘管電路中。開關二極管（2AK、2CK等系列）一般IFM較小，fM較高，用于數字電路和控制電路中。

94．二極管的簡易測量將萬用表撥到電阻擋的R×100或R×1k，，將萬用表的紅、黑表筆分別接在二極管兩端，若測得電阻比較小(幾千歐以下)，再將紅、黑表筆對調后連接在二極管兩端，而測得的電阻比較大(幾百千歐)，說明二極管具有單向導電性，質量良好。測得電阻小的那一次黑表筆接的是二極管的正極。測量正向電阻測量反向電阻

如果測得二極管的正、反向電阻都很小，甚至為零，表示管子內部已短路。如果測得二極管的正、反向電阻都很大，則表示管子內部已斷路。10第三節整流電路整流電路的功能是將交流電轉換成脈動直流電。一、半波整流電路單相半波整流電路由整流二極管、電源變壓器和負載RL構成。

半波整流原理電路圖1．整流原理當v2為正半周時，二極管V承受正向電壓而導通，在負載RL上獲得上正下負電壓vL。

當v2為負半周時，二極管V承受反向電壓而截止，負載RL上的電壓vL=0。

半波整流電路波形11二、橋式整流電路

1．電路結構單相橋式整流電路由電源變壓器T、整流二極管Vl～V4和負載RL組成。

橋式整流原理電路圖

2．整流原理

v2為正半周時，Vl和V3正偏導通，V2、V4受到反向電壓而截止。單向脈動電流的流向為：A端→V1→RL→V3→B端，RL上的脈動電壓極性為上正下負。

v2為負半周時，V2、V4正偏導通，V1、V3受到反向電壓而截止。單向脈動電流的電流流向為：B端→V2→RL→V4→A端，RL上的脈動電壓極性仍為上正下負。輸出電壓波形輸入電壓波形133．負載上的直流電壓和電流負載上的直流電壓：

VL=0.9V2

負載上的直流電流：●橋式整流電路變壓器的選用：次級電壓V2=VL/0.9，額定功率P應大于負載功率。●橋式整流二極管的選用：最高反向工作電壓VRM不低于輸入交流電的峰值電壓V2，最大整流電流IFM不低于負載上的直流電流IL。●橋式整流電路中的二極管極性不允許接錯，否則會造成二極管或變壓器過電流而損壞。●要獲得負極性的直流脈動電源，只要將4個二極管的極性都對調即可。用工程應144．整流橋堆的應用將若干只整流二極管用絕緣瓷、環氧樹脂等外殼封裝成一體就制成整流堆，常見的有半橋和全橋整流堆。

整流橋堆整流橋堆的實際接線圖

整流硅堆的主要參數是最高反向電壓和最大整流電流，在選用硅堆時，也主要是根據電路具體要求來選擇這二個參數。151．觀測電容濾波情況在未接濾波電容C時，負載RL上的電壓波形如圖中的虛線所示。當在負載RL的兩端并聯濾波電容C后，輸出波形就如圖中的實線所示。顯然，加上濾波器后的輸出電壓脈動程度明顯減小了。2．濾波原理（以半波整流電路為例）（1）在輸入電壓上升超過電容端電壓時，整流二極管V正向導通，向濾波電容C迅速充電(同時向負載供電)，電容C兩端電壓vc與v2同步上升，并達到v2的峰值。（2）在輸入電壓下降到低于電容兩端電壓時，整流二極管V反向截止。電容放電維持了負載RL的電流。由于RL的阻值遠大于二極管的正向內阻，所以放電很慢，電容C兩端電壓VC下降緩慢。半波整流電容濾波的輸出波形橋式整流電容濾波的輸出波形173．電容濾波器的特點（1）在電容濾波電路中，C的容量或RL的阻值越大，濾波電容C放電越慢，輸出的直流電壓就越大，濾波效果也越好。反之，C的容量或RL的阻值越小，輸出電壓低且濾波效果差。（2）在采用大容量的濾波電容時，接通電源的瞬間充電電流特別大，因此電容濾波器不適用于負載電流較大的場合。●橋式整流電路變壓器的選用：次級電壓V2=VL/0.9，額定功率P應大于負載功率。●橋式整流二極管的選用：最高反向工作電壓VRM不低于輸入交流電的峰值電壓V2，最大整流電流IFM不低于負載上的直流電流IL。●橋式整流電路中的二極管極性不允許接錯，否則會造成二極管或變壓器過電流而損壞。●要獲得負極性的直流脈動電源，只要將4個二極管的極性都對調即可。

用工程應18二、電感濾波器1．電路構成

電感濾波電路中電感L與負載RL串聯，它是利用通過電感的電流不能突變的特性來實現濾波。2．濾波原理從能量的觀點來看，電感是一個儲能元件，當電流增加時，電感線圈產生自感電動勢阻止電流的增加，同時將一部分電能轉化為磁場能量；當電流減小時，電感線圈便釋放能量，阻止電流減小。因此通過負載RL的電流脈動成分受到抑制而變得平滑。

電感濾波電路電感濾波輸出電壓波形192．π型濾波器C-π型濾波器

在L型濾波器的輸入端再并聯一個電容，這就形成了LC-π型濾波器，如左下圖所示。RC-π型濾波器

在電流較小、濾波要求不高的情況下，常用電阻R代替π型濾波器的電感L，構成RC-π型濾波器。

LC—π型濾波器RC—π型濾波器21第五節特種二極管及應用

一、穩壓管

1．工作特性及應用

穩壓管又稱齊納二極管，實物外形見下圖。通常用文字“V”代表，它是一種用特殊工藝制造的硅二極管，只要反向電流不超過極限電流，管子工作在擊穿區并不會損壞，屬可逆擊穿，這與普通二極管破壞性擊穿是截然不同的。穩壓管工作在反向擊穿區域時，利用其陡峭的反向擊穿特性在電路中起穩定電壓作用。

穩壓管的外形電路符號22穩壓管的伏安特性曲線如的正向特性與普通二極管相同。

反向特性曲線在擊穿區域比普通二極管更陡直，這表明穩壓管擊穿后，通過管子的電流變化(ΔIz)很大，而管子兩端電壓變化(ΔVz)很小，或說管子兩端電壓基本保持一個固定值。

穩壓管在電路中主要功能是起穩壓作用。穩壓管的伏安特性曲線正向特性擊穿特性23二、發光二極管

發光二極管是一種把電能變成光能的半導體器件。發光二極管由磷化鎵、砷化鎵等半導體材料制成，電路符號和實物照片見下圖。

當給發光二極管加上偏壓，有一定的電流流過時二極管就會發光，這是由于PN結的電子與空穴直接復合放出能量的結果。發光二極管的種類很多，按發光的顏色可分為：紅色、藍色、黃色、綠色，還有三色變色發光二極管和眼睛看不見的紅外光二極管；按外形可分為：圓形、方形等。

發光二極管電路符號發光二極管實物圖25

三、光電二極管

光電二極管又稱為光敏二極管。光電二極管也是由一個PN結構成，但是它的PN結面積較大，通過管殼上的一個玻璃窗口來接收入射光。

當沒有光照射時反向電阻很大，反向電流很小；當有光照射時，反向電阻減小，反向電流增大。

光電二極管電路符號光電二極管元件外形

發光二極管應用電路如下圖所示。

6V直流電壓指示220V交流電指示26

四、無引線片狀二極管無引線片狀二極管焊點處于元件的兩端，在目前的電子產品中得到廣泛應用，其特點是體積小、重量輕、高頻性能好、形狀簡單、尺寸標準化，便于自動化裝配。

1.肖特基二極管

常見的肖特基二極管封裝形式主要有兩種：一種是片狀二腳封裝，見圖（a）；另一類為片狀SOT-23封裝（MMBD），見圖（b）。

2.穩壓二極管

片狀穩壓二極管的穩壓值在2～30V，額定功率為0.5W的穩壓管其封裝多采用SOT-23形式，額定功率為1W多采用SOT-89（1W）封裝，見圖（c）。

圖（a）圖（b）圖（c）

27本章小結

1.半導體具有熱敏性、光敏性和摻雜性，因而成為制造電子元器件的關鍵材料。2.二極管是由一個PN結構成，其最主要的特性是具有單向導電性，該特性可由伏安特性曲線準確描述。選用或更換二極管必須考慮最大整流電流、最高反向工作電壓兩個主要參數，高頻工作時還應考慮最高工作頻率。3.整流電路的作用是將交流電轉換為脈動直流電，濾波電路的作用是對整流輸出的脈動直流進行平滑。4.特殊二極管主要有穩壓二極管、發光二極管、光電二極管等。穩壓管是利用它在反向擊穿狀態下的恒壓特性來構成簡單的穩壓電路。發光二極管起著將電信號轉換為光信號的作用，而光電二極管則是將光信號轉換為電信號。5.片狀二極管具有體積小，形狀規整，便于自動化裝配的特點，在目前的電子產品中廣泛應用因此，片狀二極管的封裝外形及引腳排列是必須了解的基本知識。

29主教材簡介書名：電子技術基礎第2版（附學習卡）出版單位：高等教育出版社作者：陳振源出版日期：2006-07-01書號：7-04-019714-6適用層次：中職定價：25.20本書參照教育部頒布的中等職業學校電子技術基礎教學大綱，以及有關的職業資格標準或行業職業技能鑒定標準，在保留2001年出版的中等職業教育國家規劃教材《電子技術基礎》編寫風格的基礎上，根據近幾年中職生源的變化情況，貫徹落實“以服務為宗旨，以就業為導向，以能力為本位”的職業教育辦學指導思想，修訂而成。本書包括模擬電子技術和數字電子技術兩部分，模擬部分包括：二極管及整流電路、