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1、1.1 PN结 1.1.1 半导体基础知识 1.1.2 PN结 1.2 半导体二极管 1.2.1 基本结构、种类与符号 1.2.2 伏安特性 1.2.3 主要参数 1.2.4 使用注意事项 1.3 二极管应用 1.3.1 整流 1.3.2 检波 1.3.3 钳位 1.3.4 限幅 1.3.5 元件保护,1.4 特殊二极管 1.4.1 稳压二极管 1.4.2 发光二极管 1.4.3 光敏二极管 1.4.4 变容二极管 1.4.5 隧道二极管 1.4.6 肖特基二极管 1.4.7 片式二极管 1.4.8 快恢复二极管,第1章 半导体二极管及其应用,目录,本章要点: 半导体基础知识 PN结单向导电性
2、 半导体二极管结构、符号、伏安特性及应用 特殊二极管,本章难点: 半导体二极管伏安特性 半导体二极管应用,第1章 半导体二极管及其应用,1.1 PN结,在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,1.半导体特性 导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。 (1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。 (2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强
3、，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。 (3)掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。,. 半导体基础知识,动画演示,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,2. 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,自由电
4、子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,自由电子 带负电荷 逆电场运动 电子流,总电流,空穴 带正电荷 顺电场运动 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,3. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,(1) N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，
5、称为N型半导体。,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,(2) P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度本征激发产生，与温度有关,多子浓度掺杂产生与，温度无关,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1.2.1 PN结,1 . PN结的形成,动画演示,动态平
6、衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,2. PN结的单向导电性,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,动画演示,(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,动画演示,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN
7、结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,动画演示,1.2 半导体二极管,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,1.结构,符号,1.2.1 基本结构、种类与符号,2.二极管按结构分三大类：,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,.2.2 VA特性曲线,
8、硅：0.5 V 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性,死区 电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,(1)正向特性： 对应于图1-12曲线的第段，为二极管伏特性的正向特性部分。这时加在二极管两端的电压不大，从数值上看，只有零点几伏，但此时流过二极管的电流却较大，即此时二极管呈现的正向电阻较小。一般硅管正向导通压降约为0.60.7V, 锗管约为0.20.3V。 硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。,(2)反向特性： 对应于图1-12曲线的第段，是当二极管加反向电压的情况。当外加反向电压时，由于少数载流子的漂移，可以形成反向饱和电流，又由于少子的
9、数目少，因此反向电流很小，用IS表示。,(3) 反向击穿特性： 对应于特性曲线的第段。当作用在二极管的反向电压 高达某一数值后，反向电流会剧增，而使二极管失去单向导 电性，这种现象称为击穿，所对应的电压称为击穿电压。,二极管的反向击穿，亦即PN结的反向击穿，可分为热击穿与电击穿两种。,理想二极管的电流与端电压之间有如下关系,为温度电压当量，在室温T=300K时，,(1-1),动画演示,1.2.3主要参数,最大整流电流Is：指二极管在长期运行时，允许通过的最大 正向平均电流。 最高反向工作电压URM：指二极管运行时允许承受的最高反向电压。 3. 反向电流IR：指二极管在加上反向电压时的反向电流值
10、。 4. 最高工作频率fM：此参数主要由PN 结的结电容决定，结电容越大，二极管允许的最高工作频率越低。,(2) 应根据需要正确地选择型号。,1.2.4 使用注意事项,(1) 在电路中应按注明的极性进行连接。,(3) 引出线的焊接或弯曲处，离管壳距离不得小于10mm。,(4) 应避免靠近发热元件，并保证散热良好。,(5) 对整流二极管，建议反向电压降低20%再使用。,(6) 切勿超过手册中规定的最大允许电流和电压值。,(7) 二极管的替换。硅管与锗管不能互相代用。,1.3 二极管应用,1.3.1 整流,所谓整流，就是将交流电变为单方向脉动的直流电。整流电路是二极管的主要应用领域之一。利用二极管
11、的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流稳压电源。,1.3.2 检波,就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小(100mA)作为界限，通常把输出电流小于100mA 的叫检波。,动画演示,1.3.3 钳位,利用二极管正向导通时压降很小的特性可组成钳位电路如图所示.若A点VA=0，二极管D可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即 VF0。,二极管钳位电路,1.3.4 限幅,利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。,限制输出电压正半周幅度的限幅电
12、路,限制输出电压负半周幅度的限幅电路,双向限幅电路,动画演示,1.3.5 元件保护,在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，在如图所示的电路中，L和R是线圈的电感和电阻。,二极管保护电路,动画演示,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压UZ 反向击穿, UZ ,1.4.1 稳压二极管,1.4 特殊二极管,稳压二极管稳压过程,稳压管稳压电路,稳压过程,稳压二极管的主要 参数,(1) 稳定电压UZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反
13、向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3) 最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,(4) 最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,【例1-1】在图中，已知稳压二极管的,，已知,，,时,求Uo,稳压二极管的正向导通压降,。当,稳压电路,解 当,，,反向击穿稳压,，,正向导通，,；,同理，,1.4.2 发光二极管,发光二极管简称LED，它是一种将电能转换为光能的半导体器件。,发光二极管的符号如图所示。发光二极管常用于作为显示器件，可单个使用，也可作成7段式或
14、矩阵式，工作时加正向电压，并接入相应的限流电阻，工作电流一般为几毫安到几十毫安，正向导通时的管压降为1.82.2V。,发光二极管符号,1.4.3 光敏二极管,光敏二极管又称为光电二极管，它是将光能转换为电能的半导体器件。,其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的窗口。其符号如图所示。,光敏二极管符号,光敏二极管的特性曲线,1.4.4 变容二极管,用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。变容二极管符号如图所示。通过施加反向电压， 使其PN结的静电容量发生变化，因此，常用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。,变容二极管符号,1.4.5 隧道二极管,隧
15、道二极管是因为用含有大量杂质的本征半导体制作PN结时，会产生极薄的耗尽层，若加正向偏压，则在达到扩散电位之前，由于隧道效应而发生电流流动。若接近扩散电位，则为通常的二极管特性，所以如图1-26所示，在正向电压低的范围，显示出负的电阻。,隧道二极管的电压电流特性,隧道二极管的优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。,1.4.6 肖特基二极管,肖特基二极管(Schottky Barrier Diode)是利用金属与半导体接触形成金属-半导体结制作二极管。其金属材料采用金、钼、镍、钛等材料，其半导体材料采用硅或砷化镓，多为N型半导体。,它是
16、高频和快速开关的理想器件，其工作频率可达100GHz。,常用的肖特基二极管有DB0-004、MBR1545、MBR2535型等。,1.4.7 片式二极管,片式二极管的外型如图所示，外壳一般为黑色，内部为PN结，根据外型可分为圆柱形片式二极管图 (a)和矩形片式二极管图b所示，它们都没有引线，其两个端面就为正、负极。其中标有白色竖条的一端为负极，另一端则为正极。,片式二极管的外形,1.4.8 快恢复二极管,1. 快恢复二极管的特点,快恢复二极管的结构与普通二极管不同，它不是一个单一的PN结，而是在P型与N型硅材料中间增加了一个基区I，构成PIN硅层，这种结构的二极管，由于基区很薄、反向恢复电荷很少、故使该种二极管的反向恢复时间大为减少，其值一般为几百纳米以下。同时使它的正向压降较低，而使反向峰值电压得到提高，其值可达几千伏。,快恢复二极管(FRD)的优点是反向恢
