引言

最近打算重新学学电子的知识，做做笔记，就有了这个系列，笔记都是从B站up主唐老师讲电赛那摘录来的，和大家一起分享学习。希望自己能一步步进步。

引言
1.半导体的基础知识
- 1.1 电阻率
- 1.2 半导体的分类
- 1.3 PN结
2.半导体二极管
- 2.1 二极管的结构
- 2.2 二极管的特性
- 2.3 二极管的主要参数
3.二极管的使用
- 3.1 单相半波整流电路
- 3.2 单相桥式整流电路
- 3.3 滤波电路
- - 3.3.1 电容滤波电路
  - 3.3.2 电容滤波电路
  - 3.3.3 其他滤波电路
4.二极管的分类
- 4.1 稳压管
- - 4.1.1 稳压管的伏安特性
  - 4.1.2 稳压管的主要参数
  - 4.1.3 稳压管的应用计算
- 4.2 整流二极管
- 4.3 肖特基二极管
- 4.4 快恢复二极管
- 4.5 发光二极管
5.二极管的作用
- 5.1 防反接
- 5.2 给电感续流
- 5.3 限幅

1.半导体的基础知识

1.1 电阻率

导体：电阻率小于10−4Ωcm10^{-4}\Omega cm10−4Ωcm
绝缘体：电阻率大于1010Ωcm10^{10}\Omega cm1010Ωcm
半导体：电阻率介于10−41010Ωcm10^{-4}~10^{10}\Omega cm10−4 1010Ωcm

1.2 半导体的分类

本征半导体
受热挣脱共价键束缚，形成自由电子，共价键原来位置留下一个空位。自由电子和空穴都称为载流子，在本征半导体中，自由电子和空穴的数目是一样的。

N型半导体（电子型）
掺入五价杂质元素如磷，杂质原子提供多余的电子。
P型半导体（空穴型）
掺入三价杂质元素如硼，杂质原子提供空穴。

1.3 PN结

PN结

载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动，当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度就稳定下来。PN结就处于相对稳定的状态。电位壁垒UDU_DUD的大小，硅材料为0.6~ 0.8V,锗材料为0.2~0.3V

PN结单向导电性：
（1）外加正向电压

外加电压P→N,外电场削弱内电场，PN结的动态平衡被破坏，在外电场的作用下，P区中的空穴进入空间电荷区，与一部分负离子中和，N区中的自由电子进入空问电荷区与一部分止离子中和，于是整个空间电荷区变窄，从而使多子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流，这个电流称为正向电流，其方向是从P区指向N区。这种外加电压接法称为正向偏置。

（2）外加反向电压

外加电压N→P,这种情况称为PN结反向偏置。这时，外场增强内电场的作用。在外电场的作用下，P区中的空穴和N区中的自由电子各自背离空间电荷区运动，使空间电荷变宽，从而抑制了多子的扩散，加强了少子的漂移，形成反向电流。由于少子的浓度很低，因此这个反向流非常小，反向电流又称为反向饱和电流，通常用、表示。

结论：PN结具有单向导电性：PN结正向偏置时，回路中有较大的正向电流，PN结呈现的电阻很小，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中的电流非常小0，PN结呈现的电阻非常高PN结处于截止状态

2.半导体二极管

2.1 二极管的结构

点接触型：PN结面积小，结电容小，适用于高频和小功爷，用作高频检波和脉冲开关。

面接触型：PN结面积大，可通过较大的电流，电容效应明显。不能用于高频，常用作低频整流。

二极管的符号：

2.2 二极管的特性

如图为二极管的伏安特性曲线，二极管的方程为：

I=IS(eU/UT−1)I=I_S(e^{U/U_T}-1)I=IS(eU/UT−1)

UT=kT/qU_T=kT/qUT=kT/q为温度电压当量，常温T=300K下，UT≈26mVU_T\approx26mVUT≈26mV

当二极管加反向电压时，U<0U<0U<0，若∣U∣>>UT|U|>>U_T∣U∣>>UT，eU/UT≈0e^{U/U_T}\approx0eU/UT≈0，I≈−ISI\approx -I_SI≈−IS。

当二极管加正向电压时，U>0U>0U>0，若∣U∣>>UT|U|>>U_T∣U∣>>UT，eU/UT>>1e^{U/U_T}>>1eU/UT>>1，I=ISeU/UTI= I_Se^{U/U_T}I=ISeU/UT，电流和电压基本是指数关系。

UthU_{th}Uth称为死区电压或门坎电压。UthU_{th}Uth的大小与材料和温度有关，通常硅管约为0.5V,锗管约为0.1V:二极管导通时的正向压降，硅管为0.6~0.81V，锗管为0.2-0.3V。

2.3 二极管的主要参数

最大整流电流IFI_FIF

最大整流电流是指二极管长时间工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流，它由PN结的结面积和散热条件决定。

最大反向工作电压URU_RUR

它是二极管加反向电压时为防止击穿所取的安全电压，一般将反向击穿电压UBRU_{BR}UBR的一半定为最大反向工作电压URU_RUR

反向电流IRI_RIR

IRI_RIR是指二极管加上最大反向工作电压URU_RUR时的反向电流。IRI_RIR愈小，二极管的单向导电性就愈好。此外，由于反向电流是由少数载流子形成的，所以，温度对IRI_RIR的影响很大

最高工作频率fMf_MfM

fMf_MfM主要由PN结电容的大小决定，结电容愈大，则fMf_MfM就越低。若工作频率超过fMf_MfM,则二极管的单向导电性就变差，甚至无法使用。

二极管主要是利用其单向导电性，通常用于整流、检波、限幅、元件保护等，在数字电路中常作为开关元件。

3.二极管的使用

3.1 单相半波整流电路

半波整流电压的平均值或者脉动电压的直流分量为：

Uo=12π∫0π2Usinωtdωt=2πU=0.45U{\boldsymbol{U}_o}={\frac{1}{2\pi}}\int_{0}^{\pi}{\sqrt{2}}U\,s i n\,\omega t d\omega t={\frac{\sqrt{2}}{\pi}}\,U=0.45UUo=2π1∫0π2Usinωtdωt=π2U=0.45U

负载电流的平均值IoI_{o}Io或者二极管电流的平均值IDI_{D}ID为：
Io=ID=UoRL=0.45URLI_{o}=I_{D}={\frac{U_{o}}{R_{L}}}={0.45}{\frac{U}{R_{L}}}Io=ID=RLUo=0.45RLU

二极管所承受的最大反向电压是
URM=2UU_{RM}={\sqrt{2}}UURM=2U

IDI_{D}ID 和URMU_{RM}URM决定了整流二极管的选择范围。一般要有1.5-2倍的裕量。

3.2 单相桥式整流电路

u2u_2u2的正半周，D1\mathbf{D}_1D1、D3\mathbf{D}_3D3导通，D2\mathbf{D}_2D2、D4\mathbf{D}_4D4截止，忽略二极管的正向压降，uo=u2>0u_o=u_2>0uo=u2>0

u2u_2u2的负半周，D2\mathbf{D}_2D2、D4\mathbf{D}_4D4导通，D1\mathbf{D}_1D1、D3\mathbf{D}_3D3截止，uo=−u2u_o=-u_2uo=−u2仍大于零。

半波整流电压的平均值为：

Uo=1π∫0π2Usinωtdωt=22πU=0.9UU_{o}={\frac{1}{\pi}}\int_{0}^{\pi}\sqrt{2}U\,s i n\,\omega t d\omega t={\frac{2\sqrt{2}}{\pi}}\,U=0.9UUo=π1∫0π2Usinωtdωt=π22U=0.9U

比半波整流电路增加了一倍，负载电流的平均值IoI_oIo为：

Io=UoRL=0.9URLI_{o}={\cfrac{U_{o}}{R_{L}}}={\cfrac{0.9U}{R_{L}}}Io=RLUo=RL0.9U

整个二极管只导电半周，二极管的平均电流IDI_{D}ID为：
ID=12Io=0.45URLI_{D}={\frac{1}{2}}I_{o}={\frac{0.45{U}}{R_{L}}}ID=21Io=RL0.45U

二极管所承受的最高反向电压为
URM=2UU_{\scriptscriptstyle R M}=\sqrt{2}UURM=2U

如下图是集成硅整流桥：从左到右为1-4标号，1和3上标波浪线接交流电，2号脚接负载正端，4号脚接负载的负端。。

3.3 滤波电路

将脉动直流电变成较为平滑的直流电，这个过程称为滤波滤波电路有电容滤波电路和电感滤波电路。

3.3.1 电容滤波电路

oa段：uCu_CuC随u2u_2u2的增大上升至最大值2U2\sqrt2U_22U2。

ab段：u2u_2u2下降，这时∣u2∣<uC|u_2|<u_C∣u2∣<uC，二极管截止，uCu_CuC通过RLR_LRL放电，时间常数τ=RLC\tau=R_LCτ=RLC。

bc段：随u2u_2u2下降∣u2∣>uC|u_2|>u_C∣u2∣>uC后（b点），uCu_CuC又随着u2u_2u2增大上升到最大值。

可以看到，uou_ouo的脉动比整流后没有电容滤波时的电压脉动要小得多，平均值也提高了。

时间常数τ\tauτ越大，uou_ouo的下降部分就越平缓。确定滤波电容的计算公式

τ=RLC>(3∼5)T2\tau=R_LC>(3\sim5)\frac{T}{2}τ=RLC>(3∼5)2T

当RL=∞R_L=\inftyRL=∞，τ=∞\tau=\inftyτ=∞，负载开路，电容没有放电回路。半波整流电压的平均值为：

Uo=1.4UU_o=1.4UUo=1.4U

当C=0C=0C=0，τ=0\tau=0τ=0，电路不接电容，输出电压为桥式整流后的电压，半波整流电压的平均值为：

Uo=0.9UU_o=0.9UUo=0.9U

所以接入电容以后，半波整流电压的平均值有：

0.9U2<Uo<1.4U20.9{U}_{2}\lt {U}_{{o}}\lt 1.4{U}_{2}0.9U2<Uo<1.4U2

当Uo=1.2U2{U}_{{o}}=1.2U_2Uo=1.2U2，二极管的平均电流IDI_{D}ID为：

ID=12UoRL=0.6U2RLI_{D}={\frac{1}{2}}{\frac{U_{o}}{R_{L}}}={\frac{0.6U_{2}}{R_{L}}}ID=21RLUo=RL0.6U2

二极管所承受的最高反向电压为
URM=2UU_{\scriptscriptstyle R M}=\sqrt{2}UURM=2U

放电时间常数越大，二极管导通的时间就越短，冲击电流就越大。

小结：

电容滤波电路的优点：
结构简单，输出电压较高，纹波较小

电容滤波电路的缺点：
①RLR_LRL变化时，电容放电的时间常数也变化，输出电压随之变化；
②由于电容C的限制，为取得较平滑的输出电压，RLR_LRL应取较大的值，从而负载电流较小

结论：电容滤波电路使用于负载电流较小，负载变化不大的场合。

3.3.2 电容滤波电路

从信号角度分析，桥式整流电路的输出电压和电流都是正弦半波，可将它们按傅里叶级数分解为直流分量和交流分量的叠加。

对直流分量：XL=0X_L=0XL=0,电感相当于短路，电压全部降在RLR_LRL上。
对谐波分量：fff越高，XLX_LXL越大，电压大部分降在XLX_LXL上。

3.3.3 其他滤波电路

为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合起来使用。

4.二极管的分类

4.1 稳压管

稳压管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅二极管。

4.1.1 稳压管的伏安特性

稳压管工作在反向击穿区，UZU_ZUZ称为稳压值。

4.1.2 稳压管的主要参数

①稳压值UZU_ZUZ
稳压管在正常工作时管子两端的电压

②稳定电流IZI_ZIZ
能使稳压管正常工作的最小电流。I<IZI<I_ZI<IZ时稳压效果较差。

③额定功耗PZP_ZPZ
稳压管允许的最大平均功率，有的给出最大稳定电流IZMI_{ZM}IZM,PZ=IZMUZP_Z=I_{ZM}U_ZPZ=IZMUZ

④动态电阻rZr_ZrZ
rZr_ZrZ指稳压管两端电压和电流的变化两之比，其定义式为：
rZ=ΔUZΔIZr_Z=\frac{\Delta U_Z}{\Delta I_Z}rZ=ΔIZΔUZ

⑤电压温度系数αu\alpha_uαu
对硅稳压管，稳压值在4V以下的，αu\alpha_uαu为负值，6V以上的，αu\alpha_uαu为正值，稳压值在4V到6V之间，αu\alpha_uαu最小，αu\alpha_uαu一般不超过0.1%/℃。

4.1.3 稳压管的应用计算

稳压管和限流电阻串联即构成简单的稳压电路，限流电阻R是稳压电路不可缺少的组成元件。当输入电压有波动或负载电流变化时，电路自动通过调节R上的压降来保持输出电压基本不变。

（1）设RLR_LRL不变，UIU_IUI增大，则UO=UZU_O=U_ZUO=UZ也将随之增大，UZU_ZUZ增大，使IZI_ZIZ增大，IR=IZ+IOI_R=I_Z+I_OIR=IZ+IO及URU_RUR随之增大，从而使UO=UI−URU_O=U_I-U_RUO=UI−UR保持基本不变，此过程可以表示为
UI↑→UO(UZ)↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO不变U_I\uparrow \rightarrow U_O(U_Z)\uparrow\rightarrow I_Z\uparrow\rightarrow I_R\uparrow\rightarrow U_R\uparrow\rightarrow U_O不变UI↑→UO(UZ)↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO不变

（1）设UIU_IUI不变，RLR_LRL变小，则IOI_OIO增大，IR=IZ+IOI_R=I_Z+I_OIR=IZ+IO及URU_RUR随之增大，从而使UO=UI−UR=UZU_O=U_I-U_R=U_ZUO=UI−UR=UZ相应减小，从而使IZI_ZIZ急剧减小，因而IR=IO+IZI_R=I_O+I_ZIR=IO+IZ保持基本不变，此过程可以表示为：

RL↓→IO↑→IR↑→UR↑→UO(UZ)↓→IZ↓→IR不变R_L\downarrow \rightarrow I_O\uparrow\rightarrow I_R\uparrow\rightarrow U_R\uparrow\rightarrow U_O(U_Z)\downarrow \rightarrow I_Z\downarrow \rightarrow I_R不变RL↓→IO↑→IR↑→UR↑→UO(UZ)↓→IZ↓→IR不变

限流电阻R在稳压管稳压电路中是必不可少的元件，为了保证稳压电路可靠地工作，必须适当选择R的阻值。

设稳压管允许的最大工作电流为IZmaxI_{Zmax}IZmax,最小工作电流为IZminI_{Zmin}IZmin,入电压最高为UImaxU_{Imax}UImax,最低为UIminU_{Imin}UImin,负载电流最大值为ILmaxI_{Lmax}ILmax，最小值为ILminI_{Lmin}ILmin，要使稳压管能正常工作，必须满足下列条件：

当输入电压最大，负载电流最小时，IZI_{Z}IZ的值最大，但不应超过IZmaxI_{Zmax}IZmax
IZ=UImax−UZR−ILmin<IZmaxI_{Z}={\frac{U_{Imax}-U_{Z}}{R}}-I_{L{min}}<I_{Z{max}}IZ=RUImax−UZ−ILmin<IZmax
则有：
R>UImax−UZIZmax+ILminR\gt {\frac{U_{Imax}-U_{Z}}{I_{Z{max}}+I_{L{min}}}}R>IZmax+ILminUImax−UZ
当输入电压最小，负载电流最大时，IZI_{Z}IZ的值最小，但不应小于IZminI_{Zmin}IZmin
IZ=UImin−UZR−ILmax>IZminI_{Z}={\frac{U_{Imin}-U_{Z}}{R}}-I_{L{max}}>I_{Z{min}}IZ=RUImin−UZ−ILmax>IZmin则有：

R<UImin−UZIZmin+ILmaxR\lt {\frac{U_{Imin}-U_{Z}}{I_{Z{min}}+I_{L{max}}}}R<IZmin+ILmaxUImin−UZ

综合上述表达式有：

UImax−UZIZmax+ILmin<R<UImin−UZIZmin+ILmax{\frac{U_{Imax}-U_{Z}}{I_{Z{max}}+I_{L{min}}}}\lt R\lt {\frac{U_{Imin}-U_{Z}}{I_{Z{min}}+I_{L{max}}}}IZmax+ILminUImax−UZ<R<IZmin+ILmaxUImin−UZ

如两式不能同时满足，则说明给定条件已超出稳压管的工作范围这时应先更换稳压管或改善稳压管的工作条件，再重新选择限流电阻R。

4.2 整流二极管

使用在二极管整流电路中，常用的型号有

1N4007 1A 1000V
1N5408 3A 1000V

4.3 肖特基二极管

常用的肖特基二极管，在电源中经常被使用。

常用的型号有：

SS14
SS34
SS54

4.4 快恢复二极管

肖特基二极管的耐压值不会很高，在高压场合需要使用快恢复二极管代替肖特基二极管。常用的型号有

FR107
FR207
FR307
UF4007（可以用1N4007代替）
1N4148

4.5 发光二极管

红颜色发光二级管发的红光，蓝、绿、黄以此类推。特殊的白色发光二极管发的蓝光。

5.二极管的作用

5.1 防反接

由于二极管的单向导电性，电源反接也不会对电源造成伤害。

5.2 给电感续流

比如再buck电路中给电感续流。

5.3 限幅

用于比如钳位电路中，限制电压的幅值。

参考资料
[1]唐老师讲电赛之唐老师讲电子器件（4）二极管

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