1、半導體二極管及其基本應用電路,學習要點,半導體的基本知識,半導體二極管的特性及參數(shù),半導體二極管模型,特殊二極管,二極管的應用,二極管的檢測方法,一、半導體的基本知識,什么是半導體,物質按導電能力強弱不同可分為導體、絕緣體和半導體三大類。,導電能力介于導體和絕緣體之間的一類物質,目前制造半導體器件用得最多的是硅和鍺兩種材料,1 半導體二極管,2.半導體的導電特性,（1）熱敏特性,（2）光敏特性,（3）摻雜特性,半導體材料具有以下一些獨特的導電特性：,（1） 雜敏性 在純凈的半導體材料中摻入某種微量的元素(如硼和磷等)后，其導電能力將猛增幾萬倍甚至百萬倍。 （2）光敏性 有的半導體材料在無光照時

2、電阻率很高，而一旦受到光線照射后電阻率即顯著下降。 （3） 熱敏性 所謂熱敏性是指半導體的電導率隨溫度升高(例如受熱輻射)而顯著增大的特性，即溫度升高其導電能力大大加強。溫度對半導體材料的導電性能影響很大。,3、 本征半導體,本征半導體完全純凈的、結構完整的半導體晶體,圖1 原子結構示意圖 (a)硅 (b)鍺,圖2 本征半導體的共價鍵結構,本征半導體中的兩種載流子電子和空穴,載流子可以自由移動的帶電粒子。 電導率與材料單位體積中所含載流子數(shù) 有關，載流子濃度越高，電導率越高。,電子空穴對,當T=0K和無外界激發(fā)時，導體中沒有栽流子，不導電。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子

3、可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子本證激發(fā)。,自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，這個空位為空穴。,自由電子,因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。,本征激發(fā),動畫1,空穴,返回,4、 雜質半導體,（1）N型半導體（電子型半導體）,在本征半導體中摻入五價的元素(磷、砷、銻 ),多余電子， 成為自由電子,自由電子,在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。,返回,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

4、離子,自由電子,電子空穴對,（2） P型半導體（空穴型半導體）,在本征半導體中摻入三價的元素（硼）,空穴,空穴,返回,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,少子濃度與溫度有關,多子濃度與溫度無關,5. PN結的形成,圖 5 載流子的擴散 圖 6 PN 結的形成,6. PN結的單向導電性,a) b) 圖2 PN結單向導電性實驗電路 a)PN結加正向電壓 b) PN結加反向電壓,PN結電阻很小,PN結電阻很大,發(fā)光,不發(fā)光,P

5、N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),外電場的方向與內電場方向相反。 外電場削弱內電場,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,(2) 加反向電壓電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū),外電場的方向與內電場方向相同。 外電場加強內電場,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。,結論: PN結加正向電壓“正向偏置” ，簡稱“正偏”,P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極,PN結電阻很小，正向導通,（2）PN結加反向電壓“反向

6、偏置” ，簡稱“反偏”,P區(qū)接電源負極，N區(qū)接電源正極,PN結電阻很大，反向截止,二、半導體二極管,二極管的結構、圖形符號和型號,（1）結構和圖形符號,a) b) 圖3 二極管的結構和圖形符號 a)結構 b)圖形符號,圖4 幾種常見二極管的外形,二極管按結構分有點接觸型、面接觸型二大類。,(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。,(2) 面接觸型二極管,PN結面積大，用 于大電流整流電路。,半導體二極管的結構,三、二極管的伏安特性,加在二極管兩端的電壓與通過二極管電流之間的關系稱為二極管的伏安特性 ，可用曲線表示。,圖5 二極管的伏安特性,（1）正向特性,指

7、二極管加正向電壓（二極管正極接高電位，負極接低電位）時的特性。,當正向電壓小于某一數(shù)值（該電壓稱為“死區(qū)電壓”或“門坎電壓”，硅管為0.5V，鍺管為0.2V）時，通過二極管的電流很小幾乎為零。當正向電壓超過死區(qū)電壓時，電流隨電壓的升高而明顯的增加，此時二極管進入導通狀態(tài)。二極管導通后二極管兩端的電壓幾乎不隨電流的大小而變化，此時二極管兩端電壓稱為導通管壓降，用UT表示，硅管為0.7V，鍺管為0.3V。,二極管加正向電壓時并不一定能導通，必須是正向電壓達到和超過死區(qū)電壓時，二極管才能導通。,注意：,（2）反向特性,二極管加反向電壓（二極管正極接低電位，負極接高電位）時的特性。,當反向電壓小于某值

8、（此電壓稱為反向擊穿電壓UBR）時反向電流很小，并且?guī)缀醪浑S反向電壓而變化，該反向電流叫“反向飽和電流”，簡稱“反向電流”，用IR表示。通常硅管的反向電流在幾十微安以下，鍺管的反向電流可達幾百微安。在應用時反向電流越小，二極管的質量越好。,當反向電壓增加到反向擊穿電壓UBR時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為“反向擊穿”。反向擊穿破壞了二極管的單向導電性，如果沒有限流措施，二極管可能因電流過大而損壞。,注意：,二極管加反向電壓時不能導通，但反向電壓達到反向擊穿電壓（很高的反向電壓）時，二極管會反向擊穿。,在使用二極管時，電路中應該串聯(lián)適當?shù)南蘖麟娮瑁悦庖螂娏鬟^大而損壞二極管。,二極管的伏安特性

9、方程：,式中：,為反向飽和電流，,為二極管兩端的電壓,為溫度的電壓當量,當T=300K時,=26mV,(1)正向特性,(2)反向特性,表1 二極管的型號各組成部分的含義,例如2AP7表示N型鍺普通二極管，2DZ56C表示P型硅整流二極管，規(guī)格號為C。,四、二極管的使用常識,1、二極管的型號,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、二極管的主要參數(shù),（1）最大整流電流 IF 在規(guī)定散熱條件下，二極管長期使用時，允許通過二極管的最大正向平均電流。由 PN 結的面積和散熱條件決定，如果電流超過這個值，很可能燒壞二極管。 （2）最高反向工作電壓 URM 二極管工作時

10、允許加的最大反向電壓。為確保管子安全運行，通常規(guī)定URM約為擊穿電壓UBR的一半。,半導體二極管的VA特性曲線,硅：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,在規(guī)定的環(huán)境溫度下，二極管加上最大反向工作電壓時的反向電流。反向電流越小，管子的單向導電性能越好。反向電流 IR是由少數(shù)載流子運動形成的，因此，它受溫度的影響較大。 （4） 最高工作頻率 是二極管工作的上限頻率。它主要由PN結的結電容大小決定。信號頻率超過此值時，二極管的單向導電性將變差。應該指出，由于制造工藝的限制，即使是同一型號的器件，其參數(shù)的離散性

11、也很大，因此，手冊上常常給出參數(shù)的范圍。另一方面，器件手冊上給出的參數(shù)是在一定測試條件下測得的，若條件改變，相應的參數(shù)值也會變化。,（3） 最大反向電流 IR,3、二極管的直流電阻和交流電阻,（1）直流電阻RD,（2）交流電阻rd,由PN結方程也可求,4、二極管的測試： 用指針型萬用表測試二極管 指針型萬用表的紅表筆是連接到萬用表內置電池的負極、黑表 筆連接到電池的正極。兩次測得的阻值應相差極大，如下圖所示。,a)正向導通 b)反向截止 圖5 指針型萬用表測試二極管 若兩次測得的阻值均很小或為0，表明管子內部已經短路；若兩次測得的阻值都極大，則表明管子內部已經斷路或燒壞；若測得的反向電阻與正向

12、電阻相差不大，則說明管子的反向漏電過大，失去了單向導電性。,選用二極管的一般原則是：,(1) 要求導通后正向壓降小時應選擇鍺管；要求反向電流小時應選硅管。(2) 要求工作電流大時選面接觸型；要求工作頻率高時選點接觸型。(3)要求反向擊穿電壓高時選硅管。(4)要求耐高溫時選硅管。,2 半導體二極管的模型,半導體二極管是一種非線性器件 理想二極管模型,(a)伏安特性曲線 (b)代表符號(c)正向偏置時的電路模型 (d)反向偏置時的電路模型 圖13 理想模型,例1 電路如圖14所示。三只性能相同的二極管 D1、D2、D3和三只220V，40W 的燈泡 L1、L2、L3互相連接后，接入220V的交流電

13、壓u后。試分析哪只(或哪些)燈泡發(fā)光最亮？哪只(或哪些)二極管承受的反向電壓峰值最大？ 分析：二極管導通時，正向電壓降很小，與之并聯(lián)的燈泡幾乎被短路，不會發(fā)光；二極管截止時，與承受反向電壓峰值最大的二極管相并聯(lián)的那些燈泡發(fā)光才最亮。解：當交流電壓u為正半周時，D2正向偏置，D1與 D3反向偏置，各承受約u/2的反向電壓，峰值為110V。當u為負半周時，只有 D2一只二極管反向偏置，要承受的反向電壓峰值約為220V。故L2發(fā)光最亮，D2承受的反向電壓峰值最大。,圖14 例1電路,一 整流電路,1 、 作用:把交流電轉換成脈動直流電.,半波整流 2、分類: 全波整流 橋式整流 倍壓整流,3 半導體

14、二極的應用,1、 單相半波整流電路,單相半波整流電路如圖(a)所示波形圖如圖（b)所示。,(a)電路圖 (b)波形圖 單相半波整流電路,根據(jù)圖10.1可知，輸出電壓在一個工頻周期內，只是正半周導電，在負載上得到的是半個正弦波。負載上輸出平均電壓為,流過負載和二極管的平均電流為,二極管所承受的最大反向電壓,2、橋式整流電路,（1）組成：由四個二極管組成橋路,u2正半周時:,D1 、D3導通， D2、D4截止,（2）工作原理：,u2負半周時：,D2、D4 導通， D1 、D3截止,輸出電壓平均值：Uo=0.9u2,輸出電流平均值:Io= Uo/Ro=0.9 u2 / RL,流過二極管的平均電流：I

15、D=Io/2,（3）主要參數(shù)：,集成硅整流橋：,二 濾波電路,電容濾波,V 導通時給 C 充電，V 截止時 C 向 RL 放電；,電路和工作原理,濾波后 uo 的波形變得平緩，平均值提高。,電容 充電,電容 放電,電容濾波電路,2. 波形及輸出電壓,當 RL = 時：,當 RL 為有限值時：,通常取 UO = 2U2,RC 越大 UO 越大,RL = ,為獲得良好濾波效果，一般?。?(T 為輸入交流電壓的周期),元件選擇 (1) 電容選擇: 濾波電容C的大小取決于放電回路的時間常 數(shù), RLC愈大, 輸出電壓脈動就愈小, 通常取RLC為脈動電壓中 最低次諧波周期的35倍, 即,（橋式、全波）,

16、（半波）,(2) 整流二極管的選擇。 正向平均電流為,例： 單相橋式電容濾波整流，交流電源頻率 f = 50 Hz，負載電阻 RL = 40 ，要求直流輸出電壓 UO = 20 V，選擇整流二極管及濾波電容。,解,選二極管,選二極管應滿足：,IF (2 3) ID,可選：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流橋,電流平均值：,承受最高反壓：,2. 選濾波電容,可選： 1 000 F，耐壓 50 V 的電解電容。,分析題：,單相橋式整流電容濾波電路，已知變壓器付邊電壓為20V，負載 RL為10K， （1）當電路正常時，用萬用表測得電路的輸出電壓應為多

17、少？ （2）若用萬用表測得電壓為28V，則電路故障何在？ （3）若用萬用表測得電壓為18V，則電路故障何在？ （4）若用萬用表測得電壓為20V，則電路故障何在？ （4）若用萬用表測得電壓為9V，則電路故障何在？ （5）若測得負載上的電壓為0，如何分析？,4特殊二極管,穩(wěn)壓管,變容二極管,光電二極管,發(fā)光二極管,激光二極管,4.1 穩(wěn)壓管,一、硅穩(wěn)壓管及其伏安特性,符號,工作條件： 反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性,a k,特性,特點： * 正向特性與普通二極相同 * 反向擊穿特性較陡 * 反向擊穿電壓 幾 幾十V， 在允許范圍內為電擊穿,二、主要參數(shù),穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓

18、值。,2. 穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好， 小于 Imin 時不穩(wěn)壓。,3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZM,P ZM = UZ IZM,4. 動態(tài)電阻 rZ,rZ = UZ / IZ,越小穩(wěn)壓效果越好。,幾 幾十 ,5. 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CT,一般，,UZ 4 V，CTV 0 (為齊納擊穿)具有負溫度系數(shù)；,UZ 7 V，CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；,4 V UZ 7 V，CTV 很小。,表4.1 幾種硅半導體穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù),具有溫度補償?shù)?DW系列,正溫度系數(shù),負溫度系數(shù),對應正極,三、使用穩(wěn)壓管注意事項,必須工作在反向偏置(利用正向特性穩(wěn)壓除外)。 工作電流應在 IZ 和 IZM之間。 串聯(lián)使用時，穩(wěn)壓值等于各管穩(wěn)