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1、第 1章半导体二极管及其基本应用电路 本章教学基本要求 要知道：N型和P型半导体的区别、PN结的导电特性、硅和 锗二极管阈值电压和正向导通电压值、温度对二极管特性 和参数的影响、常用特种二极管以及倍压整流使用要点。 会计算：用等效电路法计算二极管电路参数；单相桥式整 流电路、单相桥式整流电容滤波电路的输出电压、输出电 流。 会画出：单相桥式整流电容滤波电路、二极管限幅电路的 输出波形。 会确定：选用二极管、滤波电容、变压器所依据的主要参 数。 会分析：单相桥式整流电容滤波电路中故障原因。 会判断：用万用表判断二极管管脚极性和质量好坏。1.1 半导体二极管1.1.1 PN结1本征半导体几乎不含杂
2、质的纯净半导体称为本征半导体。 目前用于制造半导体器件的材料有硅（Si）、锗 (Ge)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP) 等，其中以硅和锗最为常用。1.1 半导体二极管1）本征半导体中的两种载流子电子和空穴在室温下，本征半导体中少数价电子因受热而获得能 量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由 电子。与此同时，失去价电子的硅或锗原子在该共价键上 留下了一个空位，这个空位称为空穴。由于本征硅或锗每 产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴 成对出现，称为电子空穴对。1.1 半导体二极管2）本征半导体的热敏特性和光敏特性本征半导体受热或光照后产生电子空穴对
3、的物 理现象称为本征激发。当温度升高或光照增强，本征半导体内原子运 动加剧，有较多的电子获得能量成为自由电子，即 电子空穴对增多，与此同时，又使复合的机会相应 增多，最后达到一个新的相对平衡，这时电子空穴 对的数目自然比原先多，所以本征半导体中电子空 穴对的数目与温度或光照有密切关系。温度越高或 光照越强，本征半导体内载流子数目越多，导电性 能越好。1.1 半导体二极管2杂质半导体掺入微量元素的原子称为杂质，掺入杂质的 半导体称为杂质半导体。杂质半导体有P型半导体 和N型半导体两大类。1.1 半导体二极管3PN结 单纯的一块P型半导体或N型半导体，只能作为一 个电阻元件，而不能做成所需要的晶体
4、管器件。但 是，如果把P型半导体和N型半导体通过一定方法 结合起来形成的PN结就具有这种功能。PN结是构 成半导体二极管、半导体三极管、晶闸管 、集成 电路等许多半导体器件的基础。1）PN结的形成 在一块完整的本征硅（或锗）片上，用不同的掺杂 工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半 导体，在这两种杂质半导体的交界面附近就会形成 一个具有特殊性质的薄层，这个特殊的薄层就是 PN结。1.1 半导体二极管1.1 半导体二极管 2）PN结的导电特性 PN结在不同极性外加电压作用下，流过PN结电流 大小是不同的。 () PN结正向偏置 如图1-1-8(a)所示，P区接电源正极，N区接电源负 极，这
5、种接法叫正向偏置。 （2）PN结反向偏置 如图1-1-9所示，P区接电源的负极，N区接电源的 正极，这种接法叫反向偏置。1.1 半导体二极管1.1 半导体二极管 1.1.2 半导体二极管的结构和符号 半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。二极 管内部由一个PN结构成，对于分立二极管来说， 还应在PN结的两端引出金属电极、外加管壳或用 塑料封装。由于功能和用途的不同，二极管的外形 各异，几种常见的二极管外形如图1-1-10所示。1.1 半导体二极管 图1-1-12 所示是二极管的符号。二极管有两个电 极，由P区引出的电极是正极，又叫阳极；由N区 引出的电极是负极，又叫阴极。三角箭头方向表示 正
6、向电流的方向，正向电流只能从二极管的阳极流 入，阴极流出。二极管的文字符号用D或VD、V表 示。1.1 半导体二极管 1.1.3 半导体二极管的伏安特性二极管的主要特性是单向导电。二极管的特性可用伏安特性曲线来描 述。 1二极管的伏安特性曲线 二极管的种类虽然很多，但它们都具有相似的伏安特性。所谓二极管 伏安特性曲线就是流过二极管的电流与加在二极管两端电压U之间的关系曲线。图1-1-13 所示为硅和锗二极管伏安特性曲线， 1.1 半导体二极管 2温度对二极管特性的影响 二极管的特性对温度很敏感，随着温度升高，二极管正向 特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动，如图1-1-14 所示。因为温度升
7、高，扩散运动加强，在同一正向电流下 所需正向压降下降，所以正向特性向左移动，又因为温度 升高，本征激发加强，少数载流子数目增加，在同一反向 电压作用下，反向饱和电流增大。由此可知，反向特性向 下移动。1.2半导体二极管的等效电路 1.2.1 理想二极管伏安特性 图1-2-1用粗实线表示的是理想二极管伏安特性。 由图可知，理想二极管正偏时正向压降为零，相当 于开关闭合（即短路），反偏时，反向电流为零， 相当于开关断开（即开路）。1.2半导体二极管的等效电路 1.2.2 二极管固定压降伏安特性 图1-2-2为二极管正向的固定压降伏安特性。由图 可知，当二极管正向压降超过导通电压UF时，二 极管导通
8、。并在电路中呈现为一个固定正向压降（ 通常硅管取0.7V，锗管取0.3V），否则二极管不 导通，电流为零。1.3半导体二极管的基本应用 1.3.1 单相整流滤波电路1.3半导体二极管的基本应用 1.3.1 单相整流滤波电路1.3半导体二极管的基本应用 1.3.1 单相整流滤波电路1.3半导体二极管的基本应用 1.3.2 倍压整流电路简介 实践中有时需要高电压、小电流的直流电源，这时若采用 前述整流电路，势必要求变压器副边绕组有很高的电压。 这样，副边绕组的匝数增加，层间绝缘困难，体积增大， 制造也比较复杂，同时对二极管的耐压要求很高。这时可 采用倍压整流电路，即用低电压的交流电源和低耐压的整
9、流二极管获得高于输入电压许多倍的输出电压。 图1-3-10为倍压整流电路，该电路是用n个整流二极管和n 个电容组成n倍压整流电路。从图1-3-10中a、c两端取出电 压为nU2 ，其中n为偶数；而从b、d两端取出电压为nU2 ，其中n为奇数。可以根据需要选择输出电压。在电路中， 除了电容C1承受电压为U2外，其他电容上承受的电压均为 2U2，每个整流管的反向电压为2U2。该电路虽可得到较高 的直流输出电压，但它的输出特性很差，所以只适用于负 载电流很小，且负载基本上不变的场合。1.3半导体二极管的基本应用 1.3.3 限副电路利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的 特点，可组成限幅电
10、路，用来限制输出电压的幅度。图1-3- 11(a)为一双向限幅电路。设ui为幅值大于直流电源电压UC1 （=UC2）值的正弦波，则输出电压uo被限制在UC1、-UC2 之间，将输入电压的幅度削掉了一部分，其波形如图1-3- 11(b)所示。1.4 特种二极管 1.4.1 稳压二极管 硅稳压二极管（简称稳压管）是一种用特殊工艺制 造的面结合型硅半导体二极管，使用时，它的阴极 接外加电压的正端，阳极接负端，管子反向偏置， 工作在反向击穿状态，利用它的反向击穿特性稳定 直流电压。 1.4 特种二极管 1.4.2 发光二极管 发光二极管（简称LED）是一种光发射器件，它是一种新型 冷光源，是由镓（Ga
11、）、砷（AS）、磷（P）等的化合物 制成的。由这些材料构成的PN结加上正向电压时，N区电子 和P区空穴都穿过PN结，在运动途中发生复合，复合时释放 的能量是一种光谱辐射能，所以PN结便以发光的形式来释 放载流子复合时的能量。 1.4 特种二极管 1.4.3 光电二极管 光电二极管又称光敏二极管，是一种光接收器件， 其PN结工作在反偏状态。 1.4 特种二极管 1.4.4 变容二极管 变容二极管是利用PN结的电容效应工作的，它工作 于反向偏置状态。 1.4 特种二极管 1.4.5 激光二极管 激光是英文Laser的意译，音译为“镭射”。激光是 由激光器产生的。激光器有固体激光器、气体激光 器、半导体激光器等。半导体激光器是所有激光器 中效率最高、体积最小的一种，而比较成熟且实用 的半导体激光器是砷化镓激光器，即激光二极管。
