半导体二极管及直流稳压电源

半导体基础知识

常用半导体材料：
硅(Si)，锗(Ge)，磷(P)，硼(B)

本征半导体和杂质半导体

本征半导体：

纯净且晶格完整的半导体称为本征半导体。例如高纯度单晶硅和锗就属于本征半导体。原子最外层都有4个价电子。

在热力学温度为绝对零度且无外界激发的条件下，价电子无法获得足够的能量来打破共价键束缚，本征半导体没有载流子（空穴和自由电子），所以不导电。当温度升高或受光照时，晶格振动增强，本征半导体的价电子吸收声子或光子而获得能量，其中一部分价电子一定概率获得足够高的能量，从而摆脱共价键束缚成为带负电荷的自由电子，同时留下带正电荷的空穴,这种现象称之为本征激发

温度升高，热运动加剧，摆脱共价键束缚的电子增多，空穴也增多，即载流子增多，导电性增强。是造成导体器件温度稳定性差的原因

杂质半导体：

N型半导体
半导体硅掺入5价元素杂质，如磷等。N型半导体中，电子为多子，空穴为少子。能够在本征半导体中释放自由电子的杂质称为施主杂质。

P型半导体
半导体硅掺入3价元素杂质，如硼等。P型半导体中，空穴为多子，电子为少子。能够在本征半导体中释放空穴的杂质称为受主杂质。

杂质半导体中多子浓度约等于所掺杂质浓度，因而受温度影响小。但少子是由于热运动而产生，尽管浓度低，却对温度敏感，这是半导体器件温度稳定性差的主要原因。

PN结的形成及特性

载流子运动：
1）漂移运动—有电场作用下载流子的定向移动
2）扩散运动—掺杂浓度分布不均匀、受光照射或有载流子从外界注入时，半导体内载流子浓度分布不均匀。显然，扩散电流大小与载流子的浓度梯度成正比

PN结的形成

正负电荷的相互作用，在空间电荷区中形成了一个电场，称为内电场。内电场的方向是由N区指向P区（正离子指向负离子）
内电场的形成与增强一方面阻碍多子的扩散运动，另一方面则增强少子的漂移运动。
开始的瞬间，只有多子的扩散运动。多子的扩散运动一旦发生，就形成了内电场。起初，内电场较弱，少子的漂移运动也弱，多子扩散运动占优势，空间电荷区继续拓展，内电场逐渐增强，少子漂移运动随之增强，同时多子扩散运动随之减弱（因为内电场增强，与浓度差降低）。当二者动态平衡，通过PN结交界面的净在载流子数为0，空间电荷区不在拓展而达到稳定的宽度，称此时的PN结为平衡PN结。

空间电荷区由于缺少载流子，所以电阻很高，是高阻区。为了强调PN结的特性，有时又称之为耗尽层、势垒区或阻挡层。

PN结的单向导电性

正向偏置时，空间电荷区缩小，削弱内电场，外电场增大到一定值以后，扩散电流显著增加，形成明显的正向电流，PN结导通。

反向偏置时，空间电荷区拓展，加强内电场，扩散运动大大减弱，少子的漂移运动增强并占优势。然而常温下掺杂半导体的少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。
温度一定时，少子浓度一定，PN结反向电流几乎与外加反向电压无关，所以又称为反向饱和电流。

PN结的伏安特性

按照半导体理论分析，PN结的伏安特性方程近似为：
i=IS(eu/UT−1)
u为PN结的外加电；，i为流过PN结的电流；T是热力学温度； IS 是反向饱和电流； UT 是温度的电压当量， UT=kTq ,q是电子电荷量，k是波尔兹曼常数，常温下， T=300K时，UT=26mv

当PN结外加正向电压，且 u》UT时，eu/UT》1,则i≈ISeu/UT ,正向电流按正向电压的指数级增大
当PN结外加反向电压，且 |u|》UT时，eu/UT《1,则I≈−IS ,即反偏时只流过很小的反向饱和电流，几乎与反向电压的大小无关。
当PN结的反偏电压增大到一定数值时，共价键遭到破坏，产生电子-空穴对，反向电流急剧增加，称之为PN结的反向击穿。

PN结的电容效应

PN结在低频时具有单向导电性，但是在高频时不复存在。因为PN结不仅具有非线性电阻特性，还具有电容的特性。
电容效应是指，PN结外加电压变化引起PN结中存储的空间电荷量随之变化的特性

1）势垒电容 CT
空间电荷区相当于平板电容。
CT=εS4πd
S是PN结面积，d是PN结宽度， ε 是半导体介电常数

2）扩散电容 CD
当PN结正向偏置时，PN结外加正向电压升高，多数载流子扩散运动加强，P区电子浓度和N区空穴浓度增加；反之降低。

PN结总电容 CJ=CT+CD ，一般很小，只有高频交流信号作用才要考虑。当PN正向偏置， CD 起主要作用，反之 CT 主要作用

半导体二极管

基本结构

PN结用外壳封装，并装上电极引线就构成了半导体二极管。
按照材料分类有：硅管、锗管和砷化镓管；
按照结构类型有：点接触型、面接触型和硅平面型；
按照用途分类有：普通二极管、整流二极管、开关二极管、稳压二极管和发光二极管等

点接触型二极管一般为锗管，结面积小，高频性能好，但允许通过电流小，一般用于高频检波和小功率整流电路中，也用做数字电路的开关元件。

面接触型二极管一般为硅管，结面积较大，可通过大电流，但工作频率低，常用于低频整流电路中。

硅平面二极管，结面积大的可以用于大功率整流，结面积小的适用于脉冲数字电路，作为开关管使用。

二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是流过二极管的电流随外加偏置电压变化的关系曲线，它定量地表示了二极管的单向导电性。

1.单向导电性

二极管外加正向电压，开始外电场还不足以客服PN结的内电场，因而正向电流几乎为零。只有在正向电压增大到克服了内建电位差时，正向电流才从零开始随端电压按指数规律增大。
使得二极管开始导通的临界电压称为开启电压 Uth ,也称死区电压(门槛电压)

当外电压大于开启电压后，正向电流近似以指数规律增长，二极管呈现充分导通状态。在 iD 较大时，特性曲线近似为直线，当电流迅速增加时，二极管的正向压降却变化很小。
定义这时二极管的管压降为 UD(on) ，称为正向导通压降，在电路分析中近似认为是定值

二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线左移，对应同样大小的 iD,uD 随温度升高而减小

2.反向特性
外加反向电压，反向电流很小，且随反向电压的增大基本上不变，故称反向饱和电流，并称特性曲线的这一区域为反向截至区。
温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流随之增大，反向特性曲线下降。

3.反向击穿特性

击穿所需电压 UBR 称为反向击穿电压。发生击穿时，二极管的反向电流随外电路改变，而反向电压却几乎维持在击穿电压附近，具有稳定电压的作用。

稳压管正是利用了二极管的反向特性。反向击穿属于电击穿，电击穿过程在PN结被破坏之前是可逆的，即当反向电压降低到低于击穿电压时，PN结能恢复。

另外，当反向电流过大时，消耗在PN结上的功率较大，引起PN结温度上升，直到过热而造成破坏性的击穿，称为热击穿。而击穿不可逆，因此要限制PN结的功率，所以工作在反向击穿区的二极管必须串联限流电阻加以保护，以便尽可能避免热击穿。

PN结的击穿有雪崩击穿和齐纳击穿。

(1)雪崩击穿
反向电压足够高，空间电荷区中电场较强，空间电荷区的（电子和空穴）少子在强电场作用下加速获得很大的动能，于是有可能把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，再产生自由电子—空穴对，这样连锁反应造成载流子激增。
雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，因空间电荷区宽，因碰撞而电离的机会就多。
外加反向电压也必须足够高才能导致雪崩击穿。

温度升高时，半导体中晶格的热振动加剧，导致载流子运动的平均自由路程缩短，因此，在于原子碰撞前载流子由外加电场获得能量减小，发生碰撞而电离的可能性减小。

雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数

(2)齐纳击穿
在PN结两边的掺杂浓度很高时，空间电荷区（耗尽层）将变得很薄，加上不大的反向电压，就能建立很强的电场，足以把空间电荷区内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，产生自由电子—空穴对，使PN结的反向电流迅速增大，呈现反向击穿现象。
温度升高时，由于束缚在共价键中的价电子所具有的能量状态较高，电场作用下价电子比较容易挣脱共价键的束缚。可见，齐纳击穿随温度升高而降低，有负的温度系数。

一般情况下，反向击穿电压在6V以下属于齐纳击穿，6V以上主要是雪崩击穿。

二极管的主要参数

1.最大整流电流 IF
IF 是二极管长期运行时候允许通过的最大正向平均电流。在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则将因为PN结温度上升过高而烧毁

2.最大反向工作电压 UR
反向电压若超过 UR ，二极管有可能因为反向击穿而烧毁。一般，手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。

3.反向电流 IR
IR 是二极管未被击穿时的反向电流值。 IR 越小，说明单向导电性越好。
通常手册上给出的 IR 是 UR 下的反向电流值。 IR 对温度敏感

4.最高工作频率 fM
fM 是二极管工作的上限频率，即二极管的单向导电性开始明显退化时的信号频率。
当信号频率大于 fM ，由于结电容效应，二极管失去单向导电性。

晶体二极管电路的分析方法

晶体二极管模型

简化电路模型
1）理想二极管模型：相当于一个开关，正向短路，反向断路
电源电压远大于二极管的管压降时可行
2）恒压降模型：二反向导通断路，正向 管压降恒定（硅管0.7V，锗管0.2V）
模型误差比第一种小得多，近似分析中多采用该模型

3）折线模型：当二极管正向电压小于开启电压，电流为零，大于时电流与电压成线性关系，斜率 1rD，且电阻rD=ΔUΔI

三种简化模型用来计算二极管上加特定范围内电压或电流时的响应。

交流小信号等效模型

晶体二极管电路的分析方法

1.数值解法
根据电路图
uD=VDD−iDR
iD=IS(euD/UT−1)
联立解方程

2.图解分析法
数值解法中两方程图线化，线性方程式对应一条直线，称为负载线。两线交点即为工作点

3.简化模型分析法

（a）： UD=0V,ID=VDD/R

（b）： UD=0.7V(硅管),ID=VDD−UD(on)R

（c）： ID=VDD−UthR+rD,UD=Uth+IDrD

限幅电路

用于：
1）整形，消去输出波形的顶部或底部
2）波形变换，如将输出波形的正脉冲消去，只留下其中的负脉冲
3）过压保护，当强的输出信号或干扰可能损坏某个部件时

反方向并联一路即可构成双向限幅电路，限制输出信号的正负幅度。

晶体二极管的应用及直流稳压电源

直流稳压电源的组成

电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电而交流电便于输送和分配，因此在许多场合和设备中需要直流电时，通常通过直流稳压电源将交流电变换成稳定的直流电。

电源变压器室将电网电压（220V或380V、50Hz）变换为整流电路所需要的交流电压。

小功率整流滤波电路

1.半波整流电路

输出电压及输出电流的平均值
设定输入电压 ui=2√Usinwt(V)
半波整流电路输出电压的平均值 Uo(AV) 为：
Uo(AV)=12π∫π0u0d(wt)=12π∫π0uid(wt)=0.45U
输出电流的平均值，即负载上电流平均值为:
Io(AV)=Uo(AV)RL=0.45URL

二极管的选择
在整流电路中，应根据极限参数最大整流平均电流 IF 和最高反向工作电压 UR 来选择二极管。通过二极管的平均电流 ID(AV) 与负载电阻的平均电流相同 Io(AV) 。
ID(AV)=Io(AV)=Uo(AV)RL=0.45URL
二极管截至时所承受最高反向电压 UD(RM) 就是 ui 的最大值，即：
UD(RM)=2√U

虽然半波整流电路结构简单，所用元件少，但输出电压平均值低，且波形脉动大，变压器油半个周期电流为零，利用率低。所以，只适用于输出电流较小，且允许交流分量较大的场合

2.单相桥式整流电路
为了提高变压器利用率，较小输出电压的脉动，小功率电源中，应用的最大是单相桥式整流电路。

Uo(AV)=1π∫π0Umsinwtd(wt)=22√πU≈0.9U
Io(AV)=Uo(AV)RL≈0.9URL

3.电容滤波电路

整流电路虽然将交流电压变为直流电压，但输出电压含有较大交流分量，利用电容和电感对直流分量和交流分量呈现不同电抗的特点，可滤除整流电路输出电压的交流成分，保留直流成分。

由于二极管内阻很小，滤波电路充电时间常数很小，电路放电时，时间常数为 τ=RLC ,电容越大，负载电阻越大，时间常数越大，滤波后输出电压越平滑。

Uo(AV)=（1.1 4.4）U
具体数值由 RLC 的大小决定，一般工程上，取
Uo(AV)≈1.2U

稳压管稳压电路

1.稳压电路性能指标

1）稳压系数 Sr ：输出电压与输入电压的相对变化量之比

Sr=ΔU0/U0ΔUi/Ui
稳压系数表明电网电压波动的影响，其值越小，电网电压变化时输出电压变化越小。

2）输出电阻 R0 ：输出电压变化量与输出电流变化量之比
反映了负载电流变化对输出电压的影响

3）温度系数 ST ：定义为输入电压与负载电流均不变时，输出电压的变化量与环境温度变化量之比，即
ST=ΔU0/U0ΔT
反映了直流稳压电源克服温度影响的能力

4）纹波电压与纹波抑制比 Sinp
Sinp=20lgUinpUopp(dB) —输入纹波电压峰值和输出纹波电压峰值
反映了稳压电路对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力

2.稳压管的伏安特性

二极管反向击穿后的特性曲线非常陡直。通过的反向电流很大变化，而两端电压几乎恒定。此时二极管具有稳压作用。利用这一特性可以构成稳压二极管，简称稳压管，也称齐纳二极管

简单的二极管稳压电路

就是利用稳压管的分压和反向流通分流来控制电压

反向导通电流不能低于稳压管的最小稳定电流，不能大于稳压管的最大稳定电流

举个例子说明 ：

三端集成稳压器

随着半导体集成技术的发展，出现了集成稳压器。体积小性能稳定价格低廉

有：
固定输出的三端集成稳压器
三端可调式集成稳压器

特殊二极管

有太阳能电池、发光二极管、变容二极管

半导体器件命名