《电工与电子技术》单元6半导体二极管与直流稳压电源

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1、主编：李文王庆良副主编：孙全江韦宇主审：于昆伦电工与电子技术下篇工业电子学单元6半导体二极管与直流稳压电源1【知识点】本征半导体、掺杂半导体的导电特性；PN结及其特性；二极管的结构、伏安特性及主要参数；特殊二极管的用途；单相桥式整流电路、滤波电路及稳压电路的组成、工作原理、分析计算方法、元件的选用；集成稳压器的使用。【能力目标】能认识和识别一般的电子设备中的二极管的型号及在电路中的作用；具有对单相桥式整流电容滤波电路进行分析计算和正确选择元器件的能力；熟悉直流稳压电源的使用。单元6半导体二极管与直流稳压电源2单元6半导体二极管与直流稳压电源6.1半导体二极管16.2直流稳

2、压电源2小结3目录3在自然界中，存在着许多不同的物质，有的物质很容易传导电流，称为导体。有的物质几乎不传导电流，称为绝缘体。此外还有一类物质，它的导电能力介于导体与绝缘体之间，称它为半导体。常见的半导体如锗、硅、硒化镓、一些硫化物和氧化物等。半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同外，还具有不同于其他物质的特点，例如，半导体受到外界光和热的刺激时或者在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电性能会发生显著变化。其中半导体的电阻率随温度的上升而明显下降，呈负温度系数的特性；半导体的导电能力随温度上升而明显增加；半导体的电阻率随光照的不同而变化；在纯净的半导体掺入少量的杂质，它

3、的导电能力会得到显著的提高。这就是半导体的特点。6.1.1半导体的基本知识6.1半导体二极管6.1半导体二极管46.1.1.1本征半导体本征半导体是完全纯净的、原子排列整齐的半导体晶体。在T=0和没有外界激发时，没有可以自由运动的带电粒子——载流子，这时它相当于绝缘体。例如高纯度半导体材料硅、锗都是单晶体结构。图6.1（a）、（b）所示分别为锗和硅的原子结构示意图。图6.1锗和硅原子结构模型（a）原子结构图；（b）简化模型6.1半导体二极管5在硅、锗制成单晶体后，最外层的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，还与其相邻的4个原子核相互吸引，2个相邻原子之间有1对价电子，称为共

4、价键结构，如图6.2所示。半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中的电子被束缚得那么紧，在室温300K时，由于热激发，就会使一些价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子。这种现象称为本征激发。在电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键就留下1个空位，这个空位叫做空穴。显然，空穴带有正电荷。当温度越高时，电子空穴就越多；电子空穴的热运动是杂乱无章的，对外不显电性。6.1半导体二极管6图6.2锗（硅）原子在晶体中的共价键排列6.1半导体二极管76.1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入少量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。因掺入杂质的不同，可分为N型半导体

5、（电子半导体）和P型半导体（空穴半导体）。（1）N型半导体在本征半导体中（如硅、锗中）掺入少量的5价元素杂质，如磷、锑、砷等，磷原子有5个价电子，它的4个价电子与相邻的硅组成共价键后，还多余1个价电子，多余的价电子很容易受激发成为自由电子。掺入的磷元素越多，则自由电子就越多。如图6.3所示。6.1半导体二极管8由于磷原子在硅晶体中给出了1个多余的电子，称磷为施主杂质，或N型杂质。但在产生自由电子的同时并不产生新的空穴，因此在N型半导体中，自由电子数远大于空穴数。这样的一种半导体将以自由电子导电为主，所以自由电子称为多数载流子，而空穴称为少数载流子。图6.3N型半导体6.1

6、半导体二极管9（2）P型半导体在本征半导体中（如硅、锗中）掺入少量的3价元素杂质，如硼、铟等，硼原子最外层只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少1个价电子，在晶体中就留有1个空穴，空穴数量增多，自由电子则相对很少。如图6.4所示。由于硼原子在硅晶体中能接受电子，故称硼为受主杂质，或P型杂质。在产生空穴的同时并不产生新的自由电子，因此在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数。在这种半导体中以空穴导电为主，故空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。注意不论是N型半导体还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。6.1半导体二极管10图6.4P型半导体图6.5PN结的形

7、成6.1半导体二极管116.1.2.1PN结的形成当P型半导体和N型半导体接触后，在交界面处由于载流子的扩散运动，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。在P区和N区的接触面上就产生了正、负离子层。N区一侧失去自由电子剩下正离子，P区一侧失去空穴剩下负离子，这个区域称为空间电荷区，即PN结。同时形成一个由N区指向P区的内电场，内电场对扩散运动起阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的增强而逐渐减弱，最后达到动态的平衡。如图6.5（a）、（b）所示。6.1.2PN结及其单向导电性6.1半导体二极管126.1.2.2PN结单