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1、第1章 半导体二极管及其应用,电子技术基础,下一页,返回,1.1 半导体及PN结 1.2 半导体二极管 1.3 二极管基本电路及其应用 1.4 特殊二极管,目录,下一页,1.1 半导体及PN结,半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。半导体器件是构成电子电路的基础。半导体器件和电阻、电容、电感等电子元器件连接起来，可以组成各种电子电路。 顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，因此必须先对半导体材料的特点有一定的了解。,下一页,返回,1.1 半导体及PN结,1.热敏性 所谓热敏性
2、就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。 半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的锗从20升高到30时，它的电阻率几乎减小为原来的12。而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10时，它的电阻率几乎不变。,上一页,下一页,返回,1.1 半导体及PN结,2.光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。 一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN
3、结,3.杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。 在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之。所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件。而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,1.1.2 本征半导体 本征半导体是指完全纯净的，具有晶体结构（既原子排列按一定规律排得非常整齐）的半导体。如常用半导体材料硅（Si）和锗（Ge）。在常温下，其导电能力很弱；在环境温度升高或有光照时，其导电能力随之增强。 。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,下一页
4、,上一页,返回,1.1.3 杂质半导体 在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的变化。利用这一特性，可以制成各种性能不同的半导体器件，这样使得它的用途大大增加。 掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同，可分为两种：N型半导体和P型半导体。 1.N型半导体（图1-1）,1.1 半导体及PN结,返回,多余电子,N型半导体,上一页,下一页,1.1 半导体及PN结,2.P型半导体（图1-2） 在本征半导体中掺入正三价杂质元素（如硼、镓）时，就形成P型半导体。P型半导体中，空穴数量多，自由电子数量少，参与导电的主要是带正电的空穴，如图1-2所示
5、。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,返回,P型半导体,硅原子,上一页,下一页,1.1 半导体及PN结,1.1.4 PN结 当把一块P型半导体和一块N型半导体用特殊工艺紧密结合时，在二者的交界面上会形成一个具有特殊现象的薄层，这个薄层被称为PN结。而PN结具有单向导电的特性。二极管的核心正是PN结。在实际应用中的二极管种类很多，用途也十分广泛，掌握二极管的特性和应用常识是本章的重点。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,121 二极管的结构、类型及符号 在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，就构成了半导体二极管。由P型半导体引出的电极，叫做正极(或阳极)，由N型半
6、导体引出的电极，叫做负极(或阴极)。通常用所示的符号表示。 按照结构工艺的不同、二极管有点接触型和面接触型两类。它们的管芯结构如图1-3所示。,下一页,返回,1.2 半导体二极管,返回,(a)点接触型 (b)面接触型,PN结面积小，结电容小， 用于高频电路和开关电路。,PN结面积大，用 于工频大电流整流电 路等低频电路中。,上一页,下一页,图1-3 二极管的结构,1.2 半导体二极管,半导体二极管的种类和型号很多，我们用不同的符号来代表它们，例如2AP9，其中“2”表示二极管，“A”表示采用N型锗材料为基片，“P”表示普通用途管(P为汉语拼音字头)，“9”为产品性能序号；又如2CZ8，其中“c
7、”表示由N型硅材料作为基片，“z”表示整流管。关于二极管型号的命名方法可参见附录的有关内容。,下一页,上一页,返回,122 二极管的单向导电性 把二极管接成如图1-4a所示电路，当开关S闭合时，二极管阳极接电源正极，阴极接电源负极，这种情况称为二极管(PN结)正向偏置。当开关S闭合时，灯泡亮，电流表显示出较大电流，这时称二极管 (PN结)导通，流过二极管电流ID称作正向电流。,1.2 半导体二极管,(a)二极管正向偏置 (b)二极管反向偏置,将二极管接成如图l-4b所示电路，这时二极管阳极 (P区)接电源负极，阴极 (N区)接正极，这时二极管 (PN结)称为反向偏置。开关S闭合，灯泡不亮，从电
8、流表中看到电流几乎为零，这时称为二极管 (PN结)截止，这时二极管中仍有微小电流流过，这微小电流基本不随外加反向电压而变化，故称为反向饱和电流 (亦称反向漏电流)，用Is表示，Is很小，但它会随温度上升而显著增加。所以，半导体二极管等半导体器件，热稳定性较差，在使用半导体器件时，要考虑环境温度对器件和由它构成电路的影响。 我们把二极管(PN结)正向偏置导通、反向偏置截止的这种特性称为单向导电性。,1.2 半导体二极管,1.2 半导体二极管,1.2.3 二极管的伏安特性 二极管既然是一个PN结，它必然具有单向导电性。其伏安特性曲线如图所示。所谓伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电
9、流的关系曲线。二极管的伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,1.正向特性 当二极管加上很低的正向电压时，外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。当正向电压超过一定数值即死区电压后，内电场被大大削弱，电流增长很快，二极管电阻变得很小。死区电压又称阀值电压，硅管约为0.60.7V。锗管约为0.20.3V。二极管正向导通时，硅管的压降一般为0.60.7V，锗管则为0.20.3V。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,2.反向特性 二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，因而
10、形成很小的反向电流。反向电流有两个特性，一是它随温度的上升增长很快；二是在反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反向电压改变而改变，故这个电流称为反向饱和电流。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,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，这种现象称为电击穿。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。
11、二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能。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)。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,1.2.4 主要参数 1.最大整流电流 IF 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。当电流超过这个允许值时，二极管会因过热而烧坏，使用时务必注意。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,2.反向峰值电压URM 它是保证二极管不被击穿而得出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。 3.反向峰值电流IRM 它是指在二极管上加反向峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明单向导电性能差，并且受温度的影响大。,
12、上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.1 整流应用 利用二极管的单向导电性可以把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电。如图所示。这种方法简单、经济，在日常生活及电子电路中经常采用。根据这个原理，还可以构成整流效果更好的单相全波、单相桥式等整流电路。,下一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.2 钳位应用 利用二极管的单向导电性在电路中可以起到钳位的作用。 例1.1 在图示的电路中，已知输入端A的电位为UA =3V，B的电位UB =0V ，电阻R接-12V电源，求输出端F的电位UF。,下一页,返回,解：因为UAUB,所以二极管D1优先导通，设二极管为理想元
13、件，则输出端F的电位为3V。当D1导通后，D2上加的是反向电压，D2截止。,上一页,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.3 限幅应用 利用二极管的单向导电性，将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。 例1.2 在图示的电路中，已知输入电压ui=10 sint V，电源电动势E5V，二极管为理想元件，试画出输出电压uo的波形。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,解： 根据二极管的单向导电特性可知，当ui 5V时，二极管D截止，相当于开路，因电阻R中无电流流过，故输出电压与输入电压相等，即uo=ui；当ui 5V时，二极管D导通，相当于短路，故输出电压等于电源电动势，即u
14、o=E=5V 。所以，在输出电压的波形中，5V以上的波形均被削去，输出电压被限制在5V以内。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.4 稳压应用 在需要不高的稳定电压输出时，可以利用几个二极管的正向压降串联来实现。 1.3.5 开关应用 在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用，因为二极管只有单向导电性，可以相当于个受外加偏置电压控制的无触点开关。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.6 二极管的识别与简单测试 1.二极管的极性判别 有的二极管从外壳的形状上可以区分电极；有的二极管的极性用二极管符号印在外壳上，箭头指向的一端为负极；还有
15、的二极管用色环或色点来标志(靠近色环的一端是负极，有色点的一端是正极)。若标志脱落，可用万用表测其正反向电阻值来确定二极管的电极。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,测量时把万用表置于100挡或1K档，不可用1挡或10K档，前者电流太大，后者电压太高，有可能对二极管造成不利的影响。用万用表的黑表笔和红表笔分别与二极管两极相连。对于指针式万用表，当测得电阻较小时，与黑表笔相接的极为二极管正极；测得电阻很大时，与红表笔相接的极为二极管正极。对于数字万用表，由于表内电池极性相反，数字表的红表笔为表内电池正极，实际测量中必须要注意。对于数字万用表，还可以用专门的二极管档来测量，当二
16、极管被正向偏置时，显示屏上将显示二极管的正向导通压降，单位是毫伏。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,2.性能测试 二极管正、反向电阻的测量值相差愈大愈好，一般二极管的正向电阻测量值为几百欧姆，反向电阻为几十千欧姆到几百千欧姆。如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路；若测量值均为零，则说明内部短路；如测得正、反向电阻几乎一样大，这样的二极管已经失去单向导电性，没有使用价值了。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,一般来说，硅二极管的正向电阻在几百到几千欧姆，锗管小于lK，因此如果正向电阻较小，基本上可以认为是锗管。若要更准确地知道二极管的材料，可将管子接入正偏电路中测其导通压降：若压降在0.6-0.7V左右，则是硅管；若压降在0.2-0.3V左右，则是锗管。当然，利用数字万用表的二极管挡，也可以很方便地知道二极管的材料。,上一页,返回,1.4 特殊二极管,1.4.1 稳压管 1.稳压管的稳压作用 稳压管是一种特殊的硅二极管，由于它在电路中与适当数值的电
