第二篇模拟电子技术基础

第六章半导体二极管及其整流电路

半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路必不可少的基础，而PN结又是构成各种半导体器件的共同基础。本章从讨论半导体的导电特性和PN结的基本原理（特别是它的单向导电性）开始，然后介绍二极管特性参数及基本应用。

§6-1 半导体的导电特性

在自然界中，物质按其导电能力的大小可分成导体、绝缘体和半导体三大类。金、银、铜、铁、铝等容易导电的物质称为导体。塑料、陶瓷、橡皮等导电能力很差的物质称为绝缘体。而半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。常用的半导体有锗、硅和砷化镓等。

一、原子结构与导电性

物质导电性能的差异主要由物质的内部结构决定。物质是由原子组成的，原于是由带正电的原子核和带负电的电子组成的。电子分几层围绕原子核作高速运动。内层的电子受到原子核的吸引力较大，外层的电子受到原子核的吸引力较小。受到原子核吸引力最小的最外层电子称为价电子。物质的化合价由价电子的数目决定，有几个价电子就称为几价元素。

金属材料的价电子受原子核的吸引力小，故大量的价电子都能够挣脱原子核的束缚而成为自由电子。这些自由电子在外电场的作用下，作定向运动而形成电流，因此，金属的导电性能良好。在绝缘材料中，价电子受原子核的吸引力很大，不容易挣脱出来成为自由电子，所以绝缘体导电性能很差。半导体材料的原子结构比较特殊，下面以常用半导体材料——纯硅和纯锗为例加以说明。

硅和锗均为4价元素,即最外层有4个价电子，其原子结构如图6－1所示。为了达到稳定结构，每个原子最外层的4个价电子分别和邻近的4个原子中的一个价电子组成电子对，如图6－2所示。电子对中的价电子一方面围绕自身的原子核运动，另一方面也围绕另一个原子的原子核运动。化学家称这种电子对为共价键。每个原子以共价键的形式与相邻的四个原子结合成晶体结构。这种结构称为共价键结构。当这种晶体结构的半导体纯净而无杂质时，称为本征半导体。半导体一般都具有这种晶体结构，所以半导体也称为晶体，这就是晶体管名称的由来。

在共价键结构中，原子的最外层虽然有8个电子，但共价键中的价电子并不象绝缘体中的电子被束缚得那样紧。共价键中的价电子在获得一定能量后，就可以挣脱原子核的束缚而成为自由电子。失去一个价电子的共价键中就留下了—个空位，这个空位称为空穴。失去价电子的原子带正电荷，它能吸引相邻共价键中的价电子来填补这个空穴。相邻的共价键由于失去价电子留下了新的空穴，这个新空穴又会被其它的共价键中价电子所填补。这样继续下去，形成了一种价电子递补空穴的运动。这种价电子运动的结果，就相当于正电荷在运动。通常把空穴形象化地冠予它带正电，用带正电的空穴运动来表征价电子的递补运动。在没有外电场作用时，电子和空穴的运动都是无规律的。在外电场作用下，自由电子和空穴都按一定的方向移动。

由自由电子的移动所形成的电流称为电子电流。由共价键中的价电子填补空穴所形成的电流称为空穴电流。在半导体中，电流等于电子电流与空穴电流的总和。自由电子和空穴都称为载流子。载流子的数目愈多。则半导体材料的导电性能愈好。

在纯净的半导体中，共价键中的个别价电子由于吸收了一定能量而冲破共价键的束缚，成为自由电子，同时出现相同数目的空穴，这个过程叫做激发。与此同时，自由电子在运动中又会与空穴重新结合而消失，这种过程称为复合。这与共价键中的价电子填补空穴是完全不同的。价电子填补空穴形成了空穴电流，而自由电子和空穴复合，则自由电子和空穴同时消失。激发和复合总是在半导体中不断进行的，所以，在一定温度下，半导体中的载流子数目基本上是一定的。温度愈高，则载流子的数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体的导电性能影响很大。

二、N型半导体和P型半导体

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能力仍然很低。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)，这将使掺杂后的半导体(杂质半导体)的导电性能大大增强。

由于掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两大类。

一类是在硅或锗的晶体中掺入磷(或其他五价元素)。磷原子的最外层有五个价电子（图6－3）。由于掺入硅晶体的磷原子数比硅原子数少得多，因此整个晶体结构基本上不变，只是某些位置上的硅原子被磷原子取代。磷原子参加共价键结构只需四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子（图6－4）；于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故称它为电子半导体或N型半导体。故在N型半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴则是少数载流子。

另一类是在硅或锗晶体中掺入硼(或其他三价元素)。每个硼原子只有三个价电子（图6－5），故在构成共价键结构时，将因缺少一个电子而产生一个空位。当相邻原子中的价电子受到热或其他激发获得能量时，就有可能填补这个空位，而在该相邻原子中便出现一个空穴（图6－6）。每一个硼原子都能提供一个空穴，于是在半导体中就形成了大量空穴。这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

应注意，不论是N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。

三、PN结的形成

P型或N型半导体的导电能力虽然大大增强，但并不能直接用来制造半导体器件。通常是在一块N型(P型)半导体的局部再掺入浓度较大的三价(五价)杂质，使其变为P型(N型)半导体。在P型半导体和N型半导体的交界面就形成PN结。这PN结是构成各种半导体器件的基础。

图6－7所示的是一块晶片，两边分别形成P型和N型半导体。图中代表得到一个电子的三价杂质(例如硼)离子，带负电荷；代表失去一个电子的五价杂质(例如磷)离子，带正电荷。由于P区有大量空穴(浓度大)，而N区的空穴极少(浓度小)，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散。首先是交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成空间负电荷区。同样，N区的自由电子要向P区扩散，在交界面附近的N区留下带正电的五价杂质离子，形成空间正电荷区。这样，在P型半导体和N型半导体交界面的两侧就形成了一个空间电荷区，这个空间电荷区就是PN结。

形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电，而在这区域内，载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。此外，这区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，所以空间电荷区有时称为耗尽层。

正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图6－7b所示。由P区向N区扩散的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力，而由N区向P区扩散的自由电子也将受到内电场的阻力，即内电场对多数载流子(P区的空穴和N区的自由电子)的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。

空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用。这是一个方面。但另一方面，内电场对少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)则可推动它们越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。

扩散和漂移是互相联系，又是互相矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。但在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下(例如温度一定)，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡。达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。

如果在PN结上加正向电压，即外电源的正端接P区，负端接N区（图6－8）。由图可见，外电场与内电场的方向相反，因此扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分空间负电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分空间正电荷。于是，整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流(正向电流)。在一定范围内，外电场愈强，正向电流(由P区流向N区的电流)愈大，这时PN结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断地向半导体提供电荷，使电流得以维持。

若给PN结加反向电压，即外电源的正端接N区，负端接P区（图6－9），则外电场与内电场方向一致，也破坏了扩散与漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增加，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，在外电场的作用下，N区中的空穴越过PN结进入P区，P区中的自由电子越过PN结进入N区，在电路中形成了反向电流(由N区流向P区的电流)。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高。又因为少数载流子是由于价电子获得热能(热激发)挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度愈高，少数载流子的数量愈多。所以，温度对反向电流的影响很大。由以上分析可知，PN结具有单向导电性。即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大(PN结处于导通状态)；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小(PN结处于截止状态)。

§6-2 半导体二极管

一、二极管的基本结构

将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。点接触型二极管(一般为锗管)如图6－10（a）所示。它的PN结结面积很小(结电容小)，因此不能通过较大电流，但其高频性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。面接触型二极管(一般为硅管)如图6－10（b）所示。它的PN结结面积大(结电容大)，故可通过较大电流，但其工作频率较低，一般用作整流。图6－10（c）是二极管的表示符号。

二、二极管的伏安特性

二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，其伏安特性曲线如图6－11所示。由图可见，当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子（除少量能量较大者外）扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快。这个一定数值的正向电压称为死区电压，其大小与材料及环境温度有关。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6V～0.8V，锗管约为0.2V～0.3V。

在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快；一是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关，故通常称它为反向饱和电流。而当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能，便失效了。击穿发生在空间电荷区。发生击穿的原因，一种是处于强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，新产生的载流子在电场作用下获得足够能量后又通过碰撞产生电子空穴对。如此形成连锁反应，反向电流愈来愈大，最后使得二极管反向击穿。另一种原因是强电场直接将共价键的价电子拉出来，产生电子空穴对，形成较大的反向电流。产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压U_（BR_）。

三、二极管的型号和主要参数

1．二极管的型号

二极管根据其材料、用途、性能等分成不同的型号，其型号由四部分组成。每部分的含义参见附录三。

如2AP1－普通N型锗二极管，1是序号，通常用序号表征二极管的不同容量。

2．主要参数

二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有下面几个。

（1）最大整流电流I_OM

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流是电流在一个周期中的平均值。点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大整流电流较大，如2CP10型硅二极管的最大整流电流为100mA。当电流超过允许值时，将由于PN结过热而使管子损坏。

（2）最大反向电压U_RM

它是保证二极管长期工作时不被击穿而所能承受的最大反向电压。这个数值一般是反向击穿电压的一半或三分之二；如2CPl0硅二极管的反向击穿电压约为50V（图6—11）。

（3）最大反向漏电流I_RM

它是指二极管在规定的温度下，加上最大反向电压时的反向电流值。反向电流大，说明二极管的单向导电性能差，并且受温度的影响大。硅管的反向电流较小，一般在几个微安以下。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。

二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。

§6-3 整流电路

整流电路：将交流电压变换为单向脉动电压的电路。其中的整流元件（晶体二极管、电子二极管或晶闸管）所以能整流，是因为它们都具有单向导电的共同特性。

一、半波整流电路

图6－12是单相半波整流电路。它是最简单的整流电路，由整流变压器T_r、整流元件D（晶体二极管）及负载电阻R_L组成。设整流变压器副边的电压为

其波形如图6－13a所示。

由于二极管D具有单向导电性，只当它的阳极电位高于阴极电位时才能导通。在变压器副边电压u的正半周时，其极性为上正下负（图6－12），即a点的电位高于b点，二极管因承受正向电压而导通。这时负载电阻R_L上的电压为 u₀，通过的电流为i₀。在电压 u的负半周时，a点的电位低于b点，二极管因承受反向电压而截止，负载电阻R_L上没有电压。因此，在负载电阻R_L上得到的是半波整流电压u₀。在导通时，二极管的正向压降很小，可以忽略不计。因此，可以认为u₀的这半个波和u的正半波是相同的（图6－13）。

负载上得到的整流电压虽然是单方向的(极性一定)，但其大小是变化的。这种所谓单向脉动电压，常用一个周期的平均值来说明它的大小。单相半波整流电压的平均值为

（6－1）

从图6－14所示的波形上看，如果使半个正弦波与横轴所包围的面积等于一个矩形的面积，矩形的宽度为周期T，则矩形的高度就是这半波的平均值，或者称为半波的直流分量。

式（6－1）表示整流电压平均值与交流电压有效值之间的关系。由此得出整流电流的平均值

（6－2）

二、单相桥式整流电路

单相半波整流的缺点是只利用了电源的半个周期，同时整流电压的脉动较大。为了克服这些缺点，常采用全波整流电路，其中最常用的是单相桥式整流电路。它是由四个二极管接成电桥的形式构成的，如图6－15（a）所示，图6-15（b）是其简化画法。我们先来分析它的工作情况。

在变压器副边电压u的正半周时，其极性为上正下负（图6-15），即a点的电位高于b 点，二极管D₁和D₃导通，D₂和D₄截止，电流i₁的通路是a→D₁→R_L→D₃→b。这时，负载电阻R_L上得到一个半波电压，如图6－16b中的0～π段所示。

在电压u的负半周时，变压器副边的极性为上负下正，即b点的电位高于a点。因此，D₁和D₃截止，D₂和D₄导通，电流i₂的通路是b→D₂→R_L→D₄→a。同样，在负载电阻上得到一个半波电压，如图6－16b中的π～2π段所示。

显然，全波整流电路的整流电压平均值U_O比半波整流时高了一倍，即

U_O= 2×0.45 U = 0.9 U （6－3）

负载电阻中的直流电流当然也增加了一倍，即

（6－4）

每两个二极管串联导电半周，因此，每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即

（6－5）

至于二极管截止时所承受的最高反向电压，从图6－14可以看出。当D₁和D₃导通时，如果忽略二极管的正向压降，截止管D₂和D₄的阴极电位就等于a点的电位，阳极电位就等于b 点的电位。所以截止管所承受的最高反向电压就是电源电压的最大值，即

（6－6）

这一点与半波整流电压相同。

例6.3.1 已知负载电阻R_L=80Ω，负载电压U_O=110V。今采用单相桥式整流电路，交流电压电压为380V。（1）如何选用晶体二极管？（2）求整流变压器的变比及容量。

解：（1）负载电流

每个二极管通过的平均电流

变压器副边电压的有效值为

考虑到变压器副绕组及管子上的压降，变压器的副边电压大约要高出10%，即122×1.1=134V。于是

因此可选用2CZ11C晶体二极管，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。

（2）变压器的变比

变压器副边电流的有效值为

变压器的容量为

可选作BK300（300VA），380/134V的变压器。

§6-4 滤波电路

前面分析的几种整流电路虽然都可以把交流电转换为直流电，但是所得到的输出电压是单向脉动电压。在某些设备（例如电镀、蓄电池电等设备）中，这种电压的脉动是允许的。但是输出这种电压的电源对大多数电子设备是不能满足的。为了得到比较平稳的直流电压，就要在整流电路后面加上滤波电路。因为，单相桥式整流电路的输出电压是方向不变但数值大小变化的单向脉动电压。通过数学分析可知，输出电压u₀中除了直流分量以外，还有交流分量。交流分量包括频率是电源频率二倍、四倍、六倍……的各种谐波。谐波的频率越高，幅度越小。滤波电路的作用是将输出电压u₀中的交流成分尽量滤掉，剩下直流分量，使得到的直流电压比较平稳。下面介绍几种常用的滤波电路。

一、电容滤波器

图6－17中与负载并联的电容器是一个最简单的滤波器。电容滤波器是根据电容器的端电压在电路状态改变时不能跃变的道理制成的。下面分析电容滤波器的工作情况。

如果在单相半波整流电路中不接电容滤波器，输出电压的波形如图6－18（a）所示。加接电容滤波器之后，输出电压的波形就变成图6－18（b）所示的形状。为什么呢?

从图6－17中可以看出，在二极管导通时，一方面供电给负载，同时对电容器C充电。在忽略二极管正向压降的情况下，充电电压u_c与上升的正弦电压u一致，如图6－18（b）中 om′段波形所示。电源电压u在m′点达到最大值、u_C也达到最大值。而后u和u_c都开始下降、u按正弦规律下降，当u<u_c时，二极管承受反向电压而截止，电容器对负载电阻及R_L 放电，负载中仍有电流，而u_c按放电曲线mn下降。在u的下一个正半周内，当u>u_c时，二极管再行导通，电容器再被充电，重复上述过程。

电容器两端电压u_c即为输出电压u_o其波形如图6－18（b）所示。可见输出电压的脉动大为减小，并且电压较高。在空载( )和忽略二极管正向压降的情况下，，U 是图6－17中变压器副边电压的有效值。但是随着负载的增加( R_L减小, I_O增大)，放电时间常数R_LC减小，放电加快，U_O也就下降。整流电路的输出电压U_O与输出电流I_O（即负载电流）的变化关系曲线称为整流电路的外特性曲线，如图6－19所示。由图可见，与无电容滤波时比较，输出电压随负载电阻的变化有较大的变化，即外特性较差，或者说带负载能力较差。通常，我们取

（6－7）

采用电容滤波时，输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数R_LC有关系。R_LC大一些，脉动就小一些。为了得到比较平直的输出电压，一般要求≥（10～15），即

·C ≥（3～5）（6－8）

式中T是电源交流电压的周期。

此外，由于二极管的导通时间短（导通角小于180º），但在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电荷，即通过电容器的电流平均值为零，可见在二极管导通期间其电流i_D的平均值近似等于负载电流的平均值I_O，因此i_D的峰值必然较大，产生电流冲击，容易使管子损坏，因而在选择二极管时要考虑到这一点。

对单相半波带有电容滤波的整流电路而言，当负载端开路时，U(最高)。因为在交流电压的正半周时，电容器上的电压充到等于交流电压的最大值U，由于开路，不能放电，这个电压维持不变；而在负半周的最大值时，截止二极管上所承受的反向电压为交流电压的最大值U与电容器上电压U之和，即等于2U。

对单相桥式整流电路言，有电容滤波后，不影响。

总之，电容滤波电路简单，输出电压U₀较高，脉动也较小；但是外特性较差，且有电流冲击。因此，电容滤波器一般用于要求输出电压较高，负载电流较小并且变化也较小的场合。

滤波电容的数值一般在几十微法到几千微法，视负载电流的大小而定，其耐压应大于输出电压的最大值，通常都采用有极性电容器。

例6.4.1 有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率f=50H_Z，负载电阻R_L=200Ω，要求直流输出电压U_O=30V。选择整流二极管及滤波电容器。

解：（1）选择整流二极管

流过二极管的电流

根据式（6－7），取U_O=1.2U，所以变压器副边电压的有效值

二极管所承受的最高反向电压

因此可以选用二极管2CP11，其最大整流电流为100mA，反向工作峰值电压为50V。

（2）选择滤波电容器

根据式（6.4.2），取R_LC，所以

R_LC

已知R_L=200Ω，所以

选用，耐压为50V的有极性电容器。

二、 LC滤波器

为了减小输出电压的脉动程度，在滤波电容之前串接一个铁心电感线圈L，这样就组成了电感电容滤波器（图6－20）。

由于通过电感线圈的电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化，因而使负载电流和负载电压的脉动大为减小。频率愈高，电感愈大，滤波效果愈好。

电感线圈所以能滤波也可以这样来理解：因为电感线圈对整流电流的交流分量具有阻抗，谐波频率愈高，阻抗愈大，所以它可以减弱整流电压中的交流分量，比R_L大得愈多，则滤波效果愈好；而后又经过电容滤波器滤波，再一次滤掉交流分量。这样，便可以得到甚为平直的直流输出电压。但是，由于电感线圈的电感较大(一般在几亨到几十亨的范围内)，其匝数较多，电阻也较大，因而其上也有一定的直流压降，造成输出电压的下降。

具有LC滤波器的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，用于高频时更为适合。在电流较大、负载变动较大、并对输出电压的脉动程度要求不太高的场合下(例如晶闸管电源)，也可将电容器除去，而采用电感滤波器(L滤波器)。

三、 π形滤波器

如果要求输出电压的脉动更小，可以在LC滤波器的前面再并联一个滤波电容C₁（图6－21），这样便构成π形LC滤波器。它的滤波效果比LC滤波器更好，但整流二极管的冲击电流较大。

由于电感线圈的体积大而笨重，成本又高，所以有时候用电阻去代替π形滤波器中的电感线圈，这样便构成了π形RC滤波器，如图6－22所示。电阻对于交、直流电流都具有同样的降压作用，但是当它和电容配合之后，就使脉动电压的交流分量较多地降落在电阻两端（因为电容C₂的交流阻抗甚小），而较少地降落在负载上，从而起了滤波作用。R愈大，C₂愈大，滤波效果愈好。但R太大，将使直流压降增加，所以这种滤波电路主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。

§6-5 硅稳压管及其稳压电路

经整流和滤波后的电压往往会随交流电源电压的波动和负载的变化而变化。电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。特别是精密电子测量仪器、自动控制、科教片装置及晶闸管的触发电路等都要求有很稳定的直流电源供电。下面介绍由硅稳压管组成的稳压电路。

一、硅稳压管

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。其表示符号如图6－23所示。

稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似，如图6－24所示，其差异是稳压管的反向特性曲线比较陡。

稳压管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增（图6－24），稳压管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的。当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常。但是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将会发生热击穿而损坏。

稳压管的主要参数有下面几个：

1．稳定电压U_Z

稳定电压就是稳压管在正常工作下管子两端的电压。手册中所列的都是在一定条件(工作电流、温度)下的数值，即使是同一型号的稳压管，由于工艺方面和其他原因，稳压值也有一定的分散性。例如2CWl8稳压管的稳压值为10～12V：这就是说，如果把一个2CWl8稳压管接到电路中，它可能稳压在10.5V；再换一个2CWl8稳压管，则可能稳压在11.8V。

2．动态电阻r_Z

动态电阻是指稳压两端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。即

（6－9）

稳压管的反向伏安特性曲线愈陡，则动态电阻愈小，稳压性能愈好。

3．稳定电流I_Z

稳压管的稳定电流只是一个作为依据的参考数值，设计选用时要根据具体情况（例如工作电流的变化范围）来考虑。但对每一种型号的稳压管，都规定有一个最大稳定电流I_ZM。

4．最大允许耗散功率P_ZM

管子不致发生热击穿的最大功率损耗P_ZM=U_ZI_ZM。

例6.5.1 在图6－25中，通过稳定压管的电流I_Z等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？

解：

I_Z<I_ZM，电阻值合适。

二、硅稳压管稳压电路

最简单的直流稳压电源是采用硅稳压管来稳定电压的。图6－26是一种稳压管稳压电路，经过桥式整流电路整流和电容滤波器滤波得到直流电压U₁，再经过限流电阻R和稳压管D_z组成的稳压电路接到负载电阻R_L上。这样，负载上得到的就是一个比较稳定的电压。

引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化。下面分析在这两种情况下稳压电路的作用。例如，当交流电源电压增加而使整流输出电压U₁随着增加时，负载电压U₀也要增加。U₀即为稳压管两端的反向电压。当负载电压U₀稍有增加时，稳压管的电流Iz就显著增加，因此电阻R上的压降增加，以抵偿U₁的增加，从而使负载电压U₀保持近似不变。相反，如果交流电源电压减低而使U₁减低时，负载电压U₀也要减低，因而稳压管电流Iz显著减小，电阻R上的压降也减小，仍然保持负载电压U₀近似不变。同理，如果当电源电压保持不变而是负载电流变化引起负载电压U₀改变时，上述稳压电路仍能起到稳压的作用。例如，当负载电流增大时，电阻R上的压降增大，负载电压Uo因而下降。只要U₀下降一点，稳压管电流就显著减小，通过电阻R的电流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压U₀也就近似稳定不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。

选择稳压管时，一般取

（6－10）

§6-6 二极管的应用举例

二极管除了用作整流外，还有多种用途，如元件保护、检波、箝位等。下面举例说明。

例6.6.1 万用表的表头保护

万用表是靠选择开关来实现对电压、电流、电阻的各种量程的测量的。如使用不慎，用电阻挡或电流档测电压，则极易将微安级的表头烧毁，为此必须要加表头保护电路，如图6－27所示。图中把两只反并联的硅二极管并接于表头两端，然后再串一只100mA的保险丝F。当表头电压超过0.6V时，二极管导通,把表头旁路，这样，表头两端所加的电压永远不会超过0.6V。如果过流的时间延长，则会把保险丝烧断。正常工作时，表头的电压小于0.6V，二极管死区电流很小，不影响表头工作。

例6.6.2 电路如图6－28所示，若E=12V，E_D=5V，R₁=20k，R₂为可变电阻。试求A点电位U_A。（1）R₂=20k；（2）R₂=10k；（3）R₂=5k。

解：（1）当R₂=20k时，电源E在电阻R₂上产生的电压降为

二极管D受反向电压作用而截止。

（2）R₂=10k时，若断开二极管D，则E在电阻R₂上产生的电压降为：

接上二极管D，则二极管受正向电压作用而导通，正向压降U_D=0.6V，故

（3）R₂=5k时，若断开二极管D，则E在电阻R₂上产生的电压降为：

接上二极管D，二极管受正向电压作用而导通，则

从上例可见，A点的电位并不会随着R₂的减小而降低，二极管D导通后，A点的电位被箝制在4.4V上。

例6.6.3 在图6－29（a）中，若输入电压u_i为矩形波，C和R组成微分电路，时间常数远小于矩形波的周期。试画出u_o的波形。

解：由于RC组成微分电路，故R上可得到正、负尖脉冲，如图6－29（c）所示。二极管D加上正脉冲时导通，在负载电阻上可得到正脉冲。二极管加负脉冲时，由于受反向电压作用而不导通，负载电阻R_L上的电压降为0，负载电阻两面端的电压u_o如图6－29（d）所示。在这里，二极管起了削波作用，削去了负尖脉冲，检出正脉冲波。

本章小结

1．半导体中载流子的基本运动形式是扩散运动和漂移运动，PN结则是由这两种运动而形成的。它是组成半导体二极管和其他有源器件的重要环节。

2． P型半导体与N型半导体的交界处形成一个空间电荷区。当PN结加正向电压（正向偏置）时，空间电荷区变窄，有电流流过；当PN结加反向电压（反问偏置）时，空间电荷区变宽，没有电流流过或电流极小，这就是半导体二极管的单向导电性。

3．二极管的重要特性是单相导电性，二极管的主要参数有最大整流电流I_OM，最大反向电压U_RM和最大反向电流I_RM。在高频电路中，还要注意它的最高工作频率。

4．整流电路是将交流电压变换为单向脉动电压的电路。其中整流元件是半导体二极管，单相桥式整流电路是最常用的电路。注意各参数量值的表示方法，输入量用有效值表示，输出值用平均值表示。

5．滤波电路是借助电容两端电压不能突变和流经电感的电流不能突变的原理，从而能将整流输出中的脉动成分滤去得到平滑的直流电。主要有电容滤波器、LC滤波器和RC滤波器。

6．稳压电源实际上是一个调节电路，硅稳压管稳压是直流稳压电源中最简单的形式。硅稳压二极管是一种特殊二极管，利用它在反向击穿状态下恒压特性而组成的稳压电路。通过选择合适的限流电阻使稳压管工作在稳压区内，利用调节所流过的电流来保持稳定的输出电压。

思考与练习题六

6-1 电子导电和空穴导电有什么区别?空穴电流是不是由自由电子递补空穴所形成的？

6-2 N型半导体中的自由电子多于空穴，而P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，而P型半导体带正电?

6-3 简单地把一块P型半导体和一块N型半导体接触在一起，能够形成P-N结吗？为什么？

6-4 为什么一般二极管伏安特性曲线的电压、电流坐标刻度，在正反方向上都不一致呢？

6-5 为什么用手捏着万用表的试笔，去测量二极管的反向电阻时不可靠呢？

6-6 二极管的伏安特性上有一个死区电压。什么是死区电压?为什么会出现死区电压?硅管和锗管的死区电压的典型值约为多少?

6-7 怎样用万用电表判断二极管的正极和负极以及管子的好坏?

6-8 在题图6-1所示的两个电路中，已知V，二极管的正向压降可忽略不计，试分别画出输出电压u。的波形。

6-9 在题图6-2中，试求下列几种情况下输出端Y的电位U_Y及各元件（R，D_A，D_B）中通过的电流：（1）V_A= V_B= 0V；（2）V_A= +3V，V_B= 0V；（3）V_A= V_B= + 3V。二极管的正向压降可忽略不计。

6-10 在图6-15所示的单相桥式整流电路中，如果（1）D₃接反，（2）因过电压D₃被击穿短路，（3）D₃断开，试分别说明其后果如何？

6-11 单相桥式整流电路如图6-15所示。如果整流元件的极性联接发生下列错误之一，将会造成什么后果？

（1） D₁极性接反；（2）D₁、D₂极性均接反；

（3） D₂、D₄均接反；（4）D₁的正极虚焊断开。

6-12 如图6-15所示单相桥式整流电路中，已知U=300V，R_L=300。

（1）求整流电压平均值U_O、整流电流平均值I_O，每个二极管的平均电流I_D和所承受的最大反向电压U_DRM。

（2）若二极管D₁虚焊接触不良，存在接触电阻R=100，则整流电流I_o的波形将如何？

6-13 某稳压电源如题图6-3所示，试问：（1）输出电压U_O的极性和大小如何？（2）电容器C₁和C₂的极性如何？它们的耐压应选多高？（3）负载电阻R_L的最小值约为多少？（4）如将稳压管D_Z接反，后果如何？（5）如R=0，又将如何？

6-14 有两个稳压管D_ZI和D_Z2，其稳定电压分别为5.5V 和 8.5V，正向压降都是0.5V 。如果要得到0.5V，3V，6V，9V和14V几种稳定电压，这两个稳压管（还有限流电阻）应该如何联接？画出各个电路。

6-15 在图6-26所示的稳压管稳压电路中，试分析电阻R的作用。