第一章 晶体二极管及整流电路

1. 第一章 晶体二极管及整流电路  半导体的主要特性 半导体的问世是在1948年，其核心是具有单向导电性的PN结。在实际应用中的二极管种类很多，用途也十分广泛，掌握二极管的特性和应用常识是本章的重点。在功率变换中，二极管的主要用途是构成整流器，将交流电变换为直流电。  晶体二极管  整流电路  滤波电路  特种二极管及应用  本章小结

2. 第一节 半导体的主要特性 一、什么是半导体 导体 容易传导电流的物质，如电缆的线芯所使用的铜、铝等金属。 绝缘体 能够可靠地隔绝电流的物质，如电缆的包皮所使用的橡胶、塑料等。 半导体 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，硅（Si）、锗（Ge）是最常见的用于制造各种半导体器件的材料。 二、电子技术的核心是半导体 掺杂性 在纯净的半导体中掺入极其微量的杂质元素，则它的导电能力将大大增强。应用掺杂技术可以制造出各种半导体元器件。 热敏性 温度升高，将使半导体的导电能力大大增强。 光敏性 对半导体施于光线照射，光照越强，导电能力越强。

3. 半导体材料硅有四个价电子，通过共价键结合起来，如图所示。半导体材料硅有四个价电子，通过共价键结合起来，如图所示。 在常温下，大多数的价电子均被束缚在原子周围，不易自由移动，所以导电能力也较弱。 半导体受热或用光进行照射时，部分价电子获得足够的能量，得以挣脱共价键的束缚而成为自由电子和空穴， 这就是半导体具有热敏性和光敏性的原因。 半导体晶体结构示意图 三、 P型半导体和N型半导体 1．P型半导体 P型半导体是在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素。这类掺杂后导体的特点是：空穴数量多，自由电子数量少，故又称为空穴半导体。 2．N型半导体 N型半导体是在纯净半导体硅或锗中掺入微量磷、砷等5价元素，这类杂质半导体特点是：自由电子数量多，空穴数量少，故又称为电子半导体。

4. 第二节 晶体二极管 一、二极管的结构与电路符号 用于电视机、收音机、电源装置等电子产品中的各种不同外形的二极管如下图所示。二极管通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，外壳上一般印有标记以便区别正负电极。

5. 二极管的结构如下图所示，在P型与N型半导体的交界面会形成一个具有特殊电性能的薄层，称为PN结。从P区引出的电极作为正极，从N区引出的电极作为负极。二极管的结构如下图所示，在P型与N型半导体的交界面会形成一个具有特殊电性能的薄层，称为PN结。从P区引出的电极作为正极，从N区引出的电极作为负极。 二极管基本结构 二极管图形符号 二、二极管的导电特性 1.观察二极管的导电特性 图（a） 图（b） 按图（a）连接电路，此时小灯泡亮，表示二极管加正向电压而导通。 按图（b）连接电路，此时小灯泡不亮，表示二极管加反向电压而截止。 通过观察以上实验证实，二极管具有单向导电性。

6. 2.二极管主要特性曲线 二极管的电流iD与加在二极管两端的电压vD的关系曲线，称为二极管伏安特性曲线。 （1）正向特性死区 当二极管外加正向电压较小时，正向电流几乎为零。正向导通区 当二极管正向电压大于死区电压Vth时，电流随电压增加，二极管处于导通状态。导通电压 硅二极管约为0.7V，锗二极管约为0.3V。 二极管伏安特性曲线 （2）反向特性 反向截止区 当二极管承受的反向电压未达到击穿电压V（BR）时，二极管呈现很大电阻。 反向击穿区 当二极管承受的反向电压已达到击穿电压V（BR）时，反向电流急剧增加，该现象称为二极管反向击穿。

7. 2 A P 1 三、二极管器件手册的使用 1．二极管型号国产二极管的型号由五部分组成。第一部分是数字“2”，表示二极管。 第二部分是用拼音字母表示管子的材料。A——N型锗材料，B——P型锗材料，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类型。 第四部分用数字表示器件的序号。第五部分用拼音字母表示规格号。 二极管型号的读识 二极管 N型锗材料 普通管 器件序号

8. 2.二极管的主要参数 最大整流电流IFM：是管子长期运行时允许通过的最大正向平均电流。 最高反向工作电压VRM：又称额定工作电压，它是保证二极管不至于反向击穿而规定的最高反向电压。 反向饱和电流IR：它指管子未进入击穿区的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。 最高工作频率fM：是保证管子正常工作的最高频率。 实际工作中一般从两个方面使用二极管器件手册： ●已知二极管的型号查找其器件用途和主要参数，这常用于对已知型号的二极管进行分析，看是否满足电路要求。 ●根据使用的要求，选用二极管型号。例如当设备中的二极管坏了，如没有同型号的管子更换，应查看手册，选用三项主要参数IFM、VRM、fM满足要求的其它型号二极管代用。 工 程 应 用

9. 3．二极管的选用按材料分类，二极管主要有锗二极管和硅二极管两大类。前者内部多为点接触型结构，允许的工作温度较低，只能在100℃以下工作；后者内部多为面接触型或平面型结构，允许的工作温度较高，有的可达150~200℃。普通二极管（如2AP等系列）的IFM较小，fM一般较高，主要用于信号检测、取样、小电流整流等。整流二极管（2CZ、2DZ等系列）的IFM较大，fM很低，广泛使用在各种电源设备中作整流元件。3．二极管的选用按材料分类，二极管主要有锗二极管和硅二极管两大类。前者内部多为点接触型结构，允许的工作温度较低，只能在100℃以下工作；后者内部多为面接触型或平面型结构，允许的工作温度较高，有的可达150~200℃。普通二极管（如2AP等系列）的IFM较小，fM一般较高，主要用于信号检测、取样、小电流整流等。整流二极管（2CZ、2DZ等系列）的IFM较大，fM很低，广泛使用在各种电源设备中作整流元件。 稳压二极管（2CW、2DW）用在各种稳压电源和晶闸管电路中。 开关二极管（2AK、2CK等系列）一般IFM较小，fM较高，用于数字电路和控制电路中。

10. 4．二极管的简易测量 将万用表拨到电阻挡的R×100或R×1k，，将万用表的红、黑表笔分别接在二极管两端，若测得电阻比较小(几千欧以下)，再将红、黑表笔对调后连接在二极管两端，而测得的电阻比较大(几百千欧)，说明二极管具有单向导电性，质量良好。测得电阻小的那一次黑表笔接的是二极管的正极。 测量正向电阻 测量反向电阻 如果测得二极管的正、反向电阻都很小，甚至为零，表示管子内部已短路。 如果测得二极管的正、反向电阻都很大，则表示管子内部已断路。

11. 第三节 整流电路 整流电路的功能是将交流电转换成脉动直流电。 一、半波整流电路 单相半波整流电路由整流二极管、电源变压器和负载RL构成。 半波整流原理电路图 1．整流原理 当v2为正半周时，二极管V承受正向电压而导通，在负载RL上获得上正下负电压vL。 当v2为负半周时，二极管V承受反向电压而截止，负载RL上的电压vL=0。 半波整流电路波形

12. 2．负载上的直流电压和电流 负载上的直流电压：VL=0.9V2 负载上的直流电流： ●半波整流电路的变压器选用：次级电压V2=VL/0.45，额定功率P应大于负载功率。 ●半波整流二极管的选用：最高反向工作电压VRM不低于输入交流电的峰值电压V2，额定电流不低于负载上的直流电流IL。 ●半波整流电路的优点是电路简单，使用的元件少。但它的明显缺点是输出电压脉动很大，效率低，所以只能应用在对直流电压波动要求不高的场合，如蓄电池的充电等。 工 程 应 用

13. 二、桥式整流电路 1．电路结构 单相桥式整流电路由电源变压器T、整流二极管Vl～V4和负载RL组成。 桥式整流原理电路图 2．整流原理 v2为正半周时，Vl和V3正偏导通，V2、V4受到反向电压而截止。单向脉动电流的流向为：A端→V1→RL→V3→B端，RL上的脉动电压极性为上正下负 。 v2为负半周时，V2、V4正偏导通，V1、V3受到反向电压而截止。单向脉动电流的电流流向为：B端→V2→RL→V4→A端，RL上的脉动电压极性仍为上正下负。 输入电压波形 输出电压波形

14. 3．负载上的直流电压和电流 负载上的直流电压：VL=0.9V2 负载上的直流电流： ●桥式整流电路变压器的选用：次级电压V2=VL/0.9，额定功率P应大于负载功率。 ●桥式整流二极管的选用：最高反向工作电压VRM不低于输入交流电的峰值电压V2，最大整流电流IFM不低于负载上的直流电流IL。 ●桥式整流电路中的二极管极性不允许接错，否则会造成二极管或变压器过电流而损坏。 ●要获得负极性的直流脉动电源，只要将4个二极管的极性都对调即可。 工 程 应 用

15. 4．整流桥堆的应用 将若干只整流二极管用绝缘瓷、环氧树脂等外壳封装成一体就制成整流堆，常见的有半桥和全桥整流堆。 整流桥堆 整流桥堆的实际接线图 整流硅堆的主要参数是最高反向电压和最大整流电流，在选用硅堆时，也主要是根据电路具体要求来选择这二个参数。

16. 第四节 滤波电路 将脉动直流电中的交流成分滤除掉，这一过程称为滤波。 一、电容滤波器 电容滤波器是在负载的两端并联一个电容构成的。 半波整流接滤波电容 桥式整流接滤波电容

17. 1．观测电容滤波情况 在未接滤波电容C时，负载RL上的电压波形如图中的虚线所示。当在负载RL的两端并联滤波电容C后，输出波形就如图中的实线所示。显然，加上滤波器后的输出电压脉动程度明显减小了。 2．滤波原理（以半波整流电路为例） （1）在输入电压上升超过电容端电压时，整流二极管V正向导通，向滤波电容C迅速充电(同时向负载供电)，电容C 两端电压vc与v2同步上升，并达到v2的峰值。 （2）在输入电压下降到低于电容两端电压时，整流二极管V反向截止。电容放电维持了负载RL的电流。由于RL的阻值远大于二极管的正向内阻，所以放电很慢，电容C两端电压VC下降缓慢。 半波整流电容滤波的输出波形 桥式整流电容滤波的输出波形

18. 3．电容滤波器的特点 （1）在电容滤波电路中，C 的容量或RL的阻值越大，滤波电容C放电越慢，输出的直流电压就越大，滤波效果也越好。反之，C 的容量或RL的阻值越小，输出电压低且滤波效果差。 （2）在采用大容量的滤波电容时，接通电源的瞬间充电电流特别大，因此电容滤波器不适用于负载电流较大的场合。 ●桥式整流电路变压器的选用：次级电压V2=VL/0.9，额定功率P应大于负载功率。 ●桥式整流二极管的选用：最高反向工作电压VRM不低于输入交流电的峰值电压V2，最大整流电流IFM不低于负载上的直流电流IL。 ●桥式整流电路中的二极管极性不允许接错，否则会造成二极管或变压器过电流而损坏。 ●要获得负极性的直流脉动电源，只要将4个二极管的极性都对调即可。 工 程 应 用

19. 二、电感滤波器 1．电路构成 电感滤波电路中电感L与负载RL串联，它是利用通过电感的电流不能突变的特性来实现滤波。 2．滤波原理 从能量的观点来看，电感是一个储能元件，当电流增加时，电感线圈产生自感电动势阻止电流的增加，同时将一部分电能转化为磁场能量；当电流减小时，电感线圈便释放能量，阻止电流减小。因此通过负载RL的电流脉动成分受到抑制而变得平滑。 电感滤波电路 电感滤波输出电压波形

20. 3．电路特点 一般情况下，电感值L愈大，滤波效果愈好。但电感的体积变大、成本上升，且输出电压会下降，所以滤波电感常取几亨到几十亨。 三、复式滤波器 复式滤波器是由电感、电容或电阻、电容组合起来的多节滤波器。 1．L型滤波器 在滤波电容C之前串接一个铁芯电感L，这样就组成了L型滤波器。脉动直流电压经过电感时，交流成分大部分都降落在电感线圈L上，再经电容C滤波，把交流成分进一步滤除，就可在负载上得到更加平滑的直流电压。 L型滤波器

21. 2．π型滤波器 C-π型滤波器在L型滤波器的输入端再并联一个电容，这就形成了LC-π型滤波器，如左下图所示。 RC-π型滤波器在电流较小、滤波要求不高的情况下，常用电阻R代替π型滤波器的电感L，构成RC-π型滤波器。 LC—π型滤波器 RC—π型滤波器

22. 第五节 特种二极管及应用 一、稳压管1．工作特性及应用稳压管又称齐纳二极管，实物外形见下图。通常用文字“V”代表，它是一种用特殊工艺制造的硅二极管，只要反向电流不超过极限电流，管子工作在击穿区并不会损坏，属可逆击穿，这与普通二极管破坏性击穿是截然不同的。稳压管工作在反向击穿区域时，利用其陡峭的反向击穿特性在电路中起稳定电压作用。 稳压管的外形 电路符号

23. 稳压管的伏安特性曲线如的正向特性与普通二极管相同。 反向特性曲线在击穿区域比普通二极管更陡直，这表明稳压管击穿后，通过管子的电流变化(ΔIz)很大，而管子两端电压变化(ΔVz)很小，或说管子两端电压基本保持一个固定值。 稳压管在电路中主要功能是起稳压作用。 正向特性 击穿特性 稳压管的伏安特性曲线

24. 2．稳压管主要参数 稳定电压VZ指稳压管的反向击穿电压。 稳定电流IZ指管子在正常工作时的参考电流值，其值在稳压区域的最大电流IZmax与最小电流IZmin之间。当流过管子的电流小于IZmin时管子不能起稳压作用。 最大稳定电流IZmax指稳压管最大工作电流，超过Izmax 耗散功率PZM指管子不致因热击穿而损坏的最大耗散功率。它近似等于稳定电压与最大稳定电流的乘积，即PZM=VZ·IZmax。 动态电阻rZ反映稳压管的稳压性能，动态电阻越小，稳压性能越好。 温度系数k温度系数反映由温度变化引起的稳定电压变化。

25. 二、发光二极管 发光二极管是一种把电能变成光能的半导体器件。发光二极管由磷化镓、砷化镓等半导体材料制成，电路符号和实物照片见下图。 当给发光二极管加上偏压，有一定的电流流过时二极管就会发光，这是由于PN结的电子与空穴直接复合放出能量的结果。发光二极管的种类很多，按发光的颜色可分为：红色、蓝色、黄色、绿色，还有三色变色发光二极管和眼睛看不见的红外光二极管；按外形可分为：圆形、方形等。 发光二极管电路符号 发光二极管实物图

26. 三、光电二极管光电二极管又称为光敏二极管。光电二极管也是由一个PN结构成，但是它的PN结面积较大，通过管壳上的一个玻璃窗口来接收入射光。 当没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小；当有光照射时，反向电阻减小，反向电流增大。 光电二极管电路符号 光电二极管元件外形 发光二极管应用电路如下图所示。 6V直流电压指示 220V交流电指示

27. 四、无引线片状二极管 无引线片状二极管焊点处于元件的两端，在目前的电子产品中得到广泛应用，其特点是体积小、重量轻、高频性能好、形状简单、尺寸标准化，便于自动化装配。 1.肖特基二极管 常见的肖特基二极管封装形式主要有两种：一种是片状二脚封装，见图（a）；另一类为片状SOT-23封装（MMBD），见图（b）。 2.稳压二极管 片状稳压二极管的稳压值在2～30V，额定功率为0.5W的稳压管其封装多采用SOT-23形式，额定功率为1W多采用SOT-89（1W）封装，见图（c）。 图（a） 图（b） 图（c）

28. 3.开关二极管 该类管子运用于数字脉冲电路及电子开关电路，片状开关管分为单开关二极管和复合开关二极管两大类 4．复合二极管 “复合二极管”是指在一个封装内，包含有2个以上的二极管，以满足不同的电路工作要求，同时可缩小元器件的数量和体积，复合二极管的组合形式有：共阴极式、共阳极式、串联式和独立式等类型，如下图所示。 复合二极管的组合形式

29. 本 章 小 结 1.半导体具有热敏性、光敏性和掺杂性，因而成为制造电子元器件的关键材料。 2.二极管是由一个PN结构成，其最主要的特性是具有单向导电性，该特性可由伏安特性曲线准确描述。选用或更换二极管必须考虑最大整流电流、最高反向工作电压两个主要参数，高频工作时还应考虑最高工作频率。 3. 整流电路的作用是将交流电转换为脉动直流电，滤波电路的作用是对整流输出的脉动直流进行平滑。 4.特殊二极管主要有稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。稳压管是利用它在反向击穿状态下的恒压特性来构成简单的稳压电路。发光二极管起着将电信号转换为光信号的作用，而光电二极管则是将光信号转换为电信号。 5.片状二极管具有体积小，形状规整，便于自动化装配的特点，在目前的电子产品中广泛应用因此，片状二极管的封装外形及引脚排列是必须了解的基本知识。