晶體二極管及其應用電路

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

2、.4 變容二極管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 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。根據材料的導電能力

3、，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，稱為光敏性。

4、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在其導電能力受雜質影響極大，稱為摻雜性。,１.１.１　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”。

5、,這一現象稱為本征激發(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,自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。,可見本征激發(fā)同時產生電子空穴對。 外加能量越高（溫度越高），產生的電子空穴對越多。,與本征激發(fā)相反的現象——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

6、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，稱為N型半導體。,N型半導體,多余電子,磷原子,硅原子,多數載流子——自由電子,少數載流子—— 空

7、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,多數載流子—— 空穴,少數載流子——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)產生，與溫度有關,多子濃度——摻雜產生與，溫度無關,?因多子濃度差,?形成內電場,?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

8、,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：,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,,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

9、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。,動畫演示,PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻， PN結導通； PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻， PN結截止。 由此可以得出結論：PN結具有單

10、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

11、準對半導體器件型號的命名舉例如下：,2AP9,１.2.2 V—A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,(1)正向特性： 對應于圖1-12曲線的第①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，即此時二極管呈現的

12、正向電阻較小。一般硅管正向導通壓降約為0.6～0.7V, 鍺管約為0.2～0.3V。 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②段，是當二極管加反向電壓的情況。當外加反向電壓時，由于少數載流子的漂移，可以形成反向飽和電流，又由于少子的數目少，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③段。當作用在二極管的反向電壓高

13、達某一數值后，反向電流會劇增，而使二極管失去單向導電性，這種現象稱為擊穿，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,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

14、電流IR：指二極管在加上反向電壓時的反向電流值。 4. 最高工作頻率fM：此參數主要由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

15、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1

16、00mA 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 VF≈0。,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。,限制輸出電壓正半周幅度的限幅電路,,限制輸出電壓負半周幅度的限幅電路,雙向限幅

17、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,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

18、,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,(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IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。,(4) 最大穩(wěn)定工作電流IZmax——,超過Izm

19、ax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段式或矩陣式，工作時加正向電壓，并接入相應的限流電阻，工作電流一

20、般為幾毫安到幾十毫安，正向導通時的管壓降為1.8～2.2V。,,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 變容二極管,用于自動頻率控制(AFC)和調諧用的小功率二極管稱變容二極管。變容二極管符號如圖所示。通過施加反向電壓， 使其PN

21、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。,,變容二極管符號,,,,,1.4.5 隧道二極管,隧道二極管是因為用含有大量雜質的本征半導體制作PN結時，會產生極薄的耗盡層，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

22、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

23、片式二極管,片式二極管的外型如圖所示，外殼一般為黑色，內部為PN結，根據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

24、區(qū)很薄、反向恢復電荷很少、故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。,快恢復二極管的內部結構和外形如圖所示。其內部結構可分為單管和對管兩種，在對管內部有兩只快恢復二極管，由于這兩只管子的接

25、法不同，又可分為共陰對管和共陽對管。,快恢復二極管的內部結構和外形,2. 快恢復二極管的檢測,將萬用表置于R×1k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

26、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。具體選用時應根據具體電路的要求，選擇合適參數的管子。,在選用時如果單管的參數不能滿足要求而對管能滿足要求時，則可把對管當作單管使用。在使用對管中如有一只管子損壞，則可作單管使用。,本章小結,1．半導體材料中有兩種載流子：電子和空穴。電子帶負電，空穴帶正電。在純凈半導體中摻入不同的雜質，可以得到N型半導體和P型半導體。2．采用一定的工藝措施，使P型和N型半導體結合在一起