1、1.1 PN結 1.1.1 半導體基礎知識 1.1.2 PN結 1.2 半導體二極管 1.2.1 基本結構、種類與符號 1.2.2 伏安特性 1.2.3 主要參數(shù) 1.2.4 使用注意事項 1.3 二極管應用 1.3.1 整流 1.3.2 檢波 1.3.3 鉗位 1.3.4 限幅 1.3.5 元件保護,1.4 特殊二極管 1.4.1 穩(wěn)壓二極管 1.4.2 發(fā)光二極管 1.4.3 光敏二極管 1.4.4 變?nèi)荻O管 1.4.5 隧道二極管 1.4.6 肖特基二極管 1.4.7 片式二極管 1.4.8 快恢復二極管,第1章 半導體二極管及其應用,目錄,本章要點: 半導體基礎知識 PN結單向導電性

2、 半導體二極管結構、符號、伏安特性及應用 特殊二極管,本章難點: 半導體二極管伏安特性 半導體二極管應用,第1章 半導體二極管及其應用,1.1 PN結,在物理學中。根據(jù)材料的導電能力，可以將他們劃分導體、絕緣體和半導體。 典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。,硅原子,鍺原子,硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。,1.半導體特性 導電能力介于導體與絕緣體之間的，稱之為半導體。 (1)熱敏性：導體的導電能力對溫度反應靈敏，受溫度影響大。當環(huán)境溫度升高時，其導電能力增強，稱為熱敏性。利用熱敏性可制成熱敏元件。 (2)光敏性：導體的導電能力隨光照的不同而不同。當光照增強時，導電能力增強

3、，稱為光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。 (3)摻雜性：導體更為獨特的導電性能體現(xiàn)在其導電能力受雜質影響極大，稱為摻雜性。,.半導體基礎知識,動畫演示,本征半導體的共價鍵結構,束縛電子,在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。,2. 本征半導體,本征半導體化學成分純凈的半導體晶體。 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。,自由電子,自由電子

4、產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。,可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。 外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。,與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復合,在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。,常溫300K時：,電子空穴對,自由電子 帶負電荷 逆電場運動 電子流,總電流,空穴 帶正電荷 順電場運動 空穴流,本征半導體的導電性取決于外加能量： 溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。,導電機制,3. 雜質半導體,在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體。,(1) N型半導體,在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱

5、為N型半導體。,N型半導體,多余電子,磷原子,硅原子,多數(shù)載流子自由電子,少數(shù)載流子 空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對,在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載流子 空穴,少數(shù)載流子自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對,(2) P型半導體,雜質半導體的示意圖,多子電子,少子空穴,多子空穴,少子電子,少子濃度本征激發(fā)產(chǎn)生，與溫度有關,多子濃度摻雜產(chǎn)生與，溫度無關,因多子濃度差,形成內(nèi)電場,多子的擴散,空間電荷區(qū),阻止多子擴散，促使少子漂移。,PN結合,空間電荷區(qū),多子擴散電流,少子漂移電流,耗盡層,1.2.1 PN結,1 . PN結的形成,動畫演示,動態(tài)平衡

6、：,擴散電流 漂移電流,總電流0,2. PN結的單向導電性,(1) 加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū),外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。 外電場削弱內(nèi)電場,耗盡層變窄,擴散運動漂移運動,多子擴散形成正向電流I F,動畫演示,(2) 加反向電壓電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū),外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。 外電場加強內(nèi)電場,耗盡層變寬,漂移運動擴散運動,少子漂移形成反向電流I R,在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。,動畫演示,PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結導通； PN結

7、加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結截止。 由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。,動畫演示,1.2 半導體二極管,二極管 = PN結 + 管殼 + 引線,1.結構,符號,1.2.1 基本結構、種類與符號,2.二極管按結構分三大類：,(1) 點接觸型二極管,PN結面積小，結電容小， 用于檢波和變頻等高頻電路。,(3) 平面型二極管,用于集成電路制造工藝中。 PN 結面積可大可小，用 于高頻整流和開關電路中。,(2) 面接觸型二極管,PN結面積大，用 于工頻大電流整流電路。,半導體二極管的型號,國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：,2AP9,.2.2 VA特性曲線,硅

8、：0.5 V 鍺： 0.1 V,(1) 正向特性,導通壓降,(2) 反向特性,死區(qū) 電壓,實驗曲線,硅：0.7 V 鍺：0.3V,(1)正向特性： 對應于圖1-12曲線的第段，為二極管伏特性的正向特性部分。這時加在二極管兩端的電壓不大，從數(shù)值上看，只有零點幾伏，但此時流過二極管的電流卻較大，即此時二極管呈現(xiàn)的正向電阻較小。一般硅管正向導通壓降約為0.60.7V, 鍺管約為0.20.3V。 硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V。,(2)反向特性： 對應于圖1-12曲線的第段，是當二極管加反向電壓的情況。當外加反向電壓時，由于少數(shù)載流子的漂移，可以形成反向飽和電流，又由于少子的數(shù)

9、目少，因此反向電流很小，用IS表示。,(3) 反向擊穿特性： 對應于特性曲線的第段。當作用在二極管的反向電壓 高達某一數(shù)值后，反向電流會劇增，而使二極管失去單向導 電性，這種現(xiàn)象稱為擊穿，所對應的電壓稱為擊穿電壓。,二極管的反向擊穿，亦即PN結的反向擊穿，可分為熱擊穿與電擊穿兩種。,理想二極管的電流與端電壓之間有如下關系,為溫度電壓當量，在室溫T=300K時，,(1-1),動畫演示,1.2.3主要參數(shù),最大整流電流Is：指二極管在長期運行時，允許通過的最大 正向平均電流。 最高反向工作電壓URM：指二極管運行時允許承受的最高反向電壓。 3. 反向電流IR：指二極管在加上反向電壓時的反向電流值。

10、 4. 最高工作頻率fM：此參數(shù)主要由PN 結的結電容決定，結電容越大，二極管允許的最高工作頻率越低。,(2) 應根據(jù)需要正確地選擇型號。,1.2.4 使用注意事項,(1) 在電路中應按注明的極性進行連接。,(3) 引出線的焊接或彎曲處，離管殼距離不得小于10mm。,(4) 應避免靠近發(fā)熱元件，并保證散熱良好。,(5) 對整流二極管，建議反向電壓降低20%再使用。,(6) 切勿超過手冊中規(guī)定的最大允許電流和電壓值。,(7) 二極管的替換。硅管與鍺管不能互相代用。,1.3 二極管應用,1.3.1 整流,所謂整流，就是將交流電變?yōu)閱畏较蛎}動的直流電。整流電路是二極管的主要應用領域之一。利用二極管的

11、單向導電性可組成單相、三相等各種形式的整流電路，然后再經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓，便可獲得平穩(wěn)的直流穩(wěn)壓電源。,1.3.2 檢波,就原理而言，從輸入信號中取出調制信號是檢波，以整流電流的大小(100mA)作為界限，通常把輸出電流小于100mA的叫檢波。,動畫演示,1.3.3 鉗位,利用二極管正向導通時壓降很小的特性可組成鉗位電路如圖所示.若A點VA=0，二極管D可正向導通，其壓降很小，故F點的電位也被鉗制在0V左右，即 VF0。,二極管鉗位電路,1.3.4 限幅,利用二極管正向導通后其兩端電壓很小且基本不變的特性，可以構成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值內(nèi)。,限制輸出電壓正半周幅度的限幅電路,

12、限制輸出電壓負半周幅度的限幅電路,雙向限幅電路,動畫演示,1.3.5 元件保護,在電子線路中，常用二極管來保護其他元器件免受過高電壓的損害，在如圖所示的電路中，L和R是線圈的電感和電阻。,二極管保護電路,動畫演示,當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數(shù),穩(wěn)定電壓,穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管,正向同二極管,反偏電壓UZ 反向擊穿, UZ ,1.4.1 穩(wěn)壓二極管,1.4 特殊二極管,穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓過程,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,穩(wěn)壓過程,穩(wěn)壓二極管的主要 參數(shù),(1) 穩(wěn)定電壓UZ ,(2) 動態(tài)電阻rZ ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工

13、作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。,rZ =U /I rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。,(3) 最小穩(wěn)定工作 電流IZmin,保證穩(wěn)壓管擊穿所對應的電流，若IZIZmin則不能穩(wěn)壓。,(4) 最大穩(wěn)定工作電流IZmax,超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。,【例1-1】在圖中，已知穩(wěn)壓二極管的,，已知,，,時,求Uo,穩(wěn)壓二極管的正向導通壓降,。當,穩(wěn)壓電路,解 當,，,反向擊穿穩(wěn)壓,，,正向導通，,；,同理，,1.4.2 發(fā)光二極管,發(fā)光二極管簡稱LED，它是一種將電能轉換為光能的半導體器件。,發(fā)光二極管的符號如圖所示。發(fā)光二極管常用于作為顯示器件，可單個使用，也可作成7段式或矩陣

14、式，工作時加正向電壓，并接入相應的限流電阻，工作電流一般為幾毫安到幾十毫安，正向導通時的管壓降為1.82.2V。,發(fā)光二極管符號,1.4.3 光敏二極管,光敏二極管又稱為光電二極管，它是將光能轉換為電能的半導體器件。,其結構與普通二極管相似，只是在管殼上留有一個能使光線照入的窗口。其符號如圖所示。,光敏二極管符號,光敏二極管的特性曲線,1.4.4 變?nèi)荻O管,用于自動頻率控制(AFC)和調諧用的小功率二極管稱變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管符號如圖所示。通過施加反向電壓，使其PN結的靜電容量發(fā)生變化，因此，常用于自動頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等用途。,變?nèi)荻O管符號,1.4.5 隧道二極管,隧道二極

15、管是因為用含有大量雜質的本征半導體制作PN結時，會產(chǎn)生極薄的耗盡層，若加正向偏壓，則在達到擴散電位之前，由于隧道效應而發(fā)生電流流動。若接近擴散電位，則為通常的二極管特性，所以如圖1-26所示，在正向電壓低的范圍，顯示出負的電阻。,隧道二極管的電壓電流特性,隧道二極管的優(yōu)點是開關特性好，速度快、工作頻率高；缺點是熱穩(wěn)定性較差。一般應用于某些開關電路或高頻振蕩等電路中。,1.4.6 肖特基二極管,肖特基二極管(Schottky Barrier Diode)是利用金屬與半導體接觸形成金屬-半導體結制作二極管。其金屬材料采用金、鉬、鎳、鈦等材料，其半導體材料采用硅或砷化鎵，多為N型半導體。,它是高頻和

16、快速開關的理想器件，其工作頻率可達100GHz。,常用的肖特基二極管有DB0-004、MBR1545、MBR2535型等。,1.4.7 片式二極管,片式二極管的外型如圖所示，外殼一般為黑色，內(nèi)部為PN結，根據(jù)外型可分為圓柱形片式二極管圖 (a)和矩形片式二極管圖b所示，它們都沒有引線，其兩個端面就為正、負極。其中標有白色豎條的一端為負極，另一端則為正極。,片式二極管的外形,1.4.8 快恢復二極管,1. 快恢復二極管的特點,快恢復二極管的結構與普通二極管不同，它不是一個單一的PN結，而是在P型與N型硅材料中間增加了一個基區(qū)I，構成PIN硅層，這種結構的二極管，由于基區(qū)很薄、反向恢復電荷很少、故

17、使該種二極管的反向恢復時間大為減少，其值一般為幾百納米以下。同時使它的正向壓降較低，而使反向峰值電壓得到提高，其值可達幾千伏。,快恢復二極管(FRD)的優(yōu)點是反向恢復時間短、開關特性好、體積小。廣泛用于脈寬調制器、不間斷電源、開關電源、變頻調速器等電路中，作為高頻大電流整流、續(xù)流二極管應用。,快恢復二極管的內(nèi)部結構和外形如圖所示。其內(nèi)部結構可分為單管和對管兩種，在對管內(nèi)部有兩只快恢復二極管，由于這兩只管子的接法不同，又可分為共陰對管和共陽對管。,快恢復二極管的內(nèi)部結構和外形,2. 快恢復二極管的檢測,將萬用表置于R1k擋，測快恢復二極管的正、反電阻值，正向電阻值一般為幾歐姆，反向電阻值為，如果測得的阻值為或0，則表明被測管損壞。對管的檢測方法與上述方法基本相同，但必須首先確定其共用端是哪個引腳，然后再用上述方法對各個二極管進行檢測。,3. 快恢復二極管的選用與使用,快恢復二極管廣泛應用于不間斷電源、開關電源、交流電動機的變頻調速器、脈寬調制器等電路中，作高頻、高壓、大電流整流、續(xù)流二極管用。具體選用時應根據(jù)具