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1、第1章半导体二极管及其应用本讲稿第一页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用本章要点:半导体基础知识PN结单向导电性半导体二极管结构、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本讲稿第二页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.1.1半导体基础知识半导体基础知识1.1PN结结1.半导体特性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
2、不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，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。本讲稿第三页，共三十七页第六章第六章 负反馈放大器负反馈放大器第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.1 PN结结2.本征半导体本征半导体本征半导体是一种完全纯净、具有晶体结构的半导体。图1-1共价键结构图1-2本征激发产生电子空穴对示意图图1-3电子与空穴的移动本讲稿第四页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用 3杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入不同的杂质，可以改变半导体中两种载流子的浓度
3、。根据掺入杂质种类的不同，半导体可以分N型半导体(掺入五价元素杂质)和P型半导体(掺入三价元素杂质)。1.1PN结结图1-4N型半导体共价键结构图1-5P型半导体共价键结构本讲稿第五页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.1 PN结结1.1.2 PN结结1PN结的形成图1-6P型半导体与N型半导体的交界面图1-7多子的扩散与空间电荷区的形成本讲稿第六页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.1 PN结结2PN结的单向导电性结的单向导电性(1)PN结加正向电压所谓PN结加正向电压，也可称为正向偏置，是指将PN结的P区接电源正极，N区接电源
4、负极，如图1-8所示。正向偏置下的PN结将相当于一个数值很小的电阻，可视为PN结正向导通。图1-8PN结加正向电压本讲稿第七页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.1 PN结结(2)PN结加反向电压结加反向电压PN结加反向电压，是指将PN结的P区接电源负极，将其N区接电源正极，如图1-9所示。整个PN结表现为一个很大的电阻，可视为PN结反向截止。图1-9PN结加反向电压综上所述，可得出结论：PN结的正向电阻很小，可视为正向导通；反向电阻很大，可视为反向截止。这就是PN结的单向导电性。本讲稿第八页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.2
5、.1基本结构、种类与符号基本结构、种类与符号1.2 半导体二极管半导体二极管1.结构与符号结构与符号二极管的结构主要可分为点接触型和面接触型两类半导体二极管的电路符号标志如图1-11所示图1-10二极管的不同结构图1-11二极管符号本讲稿第九页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.2 半导体二极管半导体二极管2.分类分类按照二极管的结构分，可分为点接触型和面接触型两大类按照二极管的材料，可分为硅二极管和锗二极管。按照二极管的用途，则可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光电二极管及变容二极管等。本讲稿第十页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极
6、管及其应用1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.2 伏安特性伏安特性半导体二极管的伏安特性指的是流过二极管的电流与二极管两端电压的关系曲线。这一关系曲线如图1-12所示，可分为三部分进行分析。图1-12二极管的伏安特性曲线(1)正向特性(2)反向特性(3)反向击穿特性本讲稿第十一页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.2 半导体二极管半导体二极管(1)正向特性：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
7、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：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，又由于少子的数目少，因此反向电流很小，用IS表示。本讲稿第十二页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.2 半导体二极管(3)反向击穿特性：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P
8、N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，26mV。(1-1)本讲稿第十三页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.2.3主要参数主要参数1.2 半导体二极管1.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。2.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。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。本讲稿第十四页，共三十七页第第1章章 半导体二极
9、管及其应用半导体二极管及其应用-(2)应根据需要正确地选择型号。1.2.4 使用注意事项使用注意事项(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。本讲稿第十五页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.3二极管应用1.3.1 整流整流所谓整流，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。利用二极管的单向导电性可组
10、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。本讲稿第十六页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.3.3 钳位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1-13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。图1-13二极管钳位电路本讲稿第十七页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.3.4 限幅限
11、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。图1-14限制输出电压正半周幅度的限幅电路本讲稿第十八页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用图1-15限制输出电压负半周幅度的限幅电路1.3.4 限幅限幅本讲稿第十九页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.3.4 限幅限幅图1-16双向限幅电路本讲稿第二十页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.3.5 元件保护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1-17所示的电
12、路中，L和R是线圈的电感和电阻。图1-17二极管保护电路本讲稿第二十一页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4特殊二极管1.4.1 稳压二极管稳压二极管1.电路符号与伏安特性稳压二极管是利用二极管反向击穿的特性制成的，专门作为稳定电压用的面接触型硅二极管。它的外形与内部结构也和普通二极管相似，对外具有两个电极。图1-18即为稳压管的符号。图1-18稳压管符号本讲稿第二十二页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.1 稳压二极管稳压二极管稳压二极管的伏安特性如图1-19所示，它的伏安特性与普通二极管相似，略有差异的是它的反向特性。它
13、的反向特性比普通二极管更加陡直，这正是它用来稳压的依据所在。图1-19稳压管伏安特性本讲稿第二十三页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用由稳压管的伏安特性可见，当反向电压小于击穿电压时，反向电流很小；当反向电压增加到等于击穿电压Uz后，反向电流急剧增加。由图1-19可见，反向电压只要略有增加，反向电流就有很大增加，这也是说，当反向电流在很大范围内变化时，反向电压变化不大。稳压管正是利用这一点来稳压的。图1-19中曲线的AB段是稳压管的反向击穿区，电压Uz称为稳定电压。1.4.1 稳压二极管稳压二极管本讲稿第二十四页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二
14、极管及其应用1.4.1 稳压二极管稳压二极管图1-20稳压管稳压电路稳压过程本讲稿第二十五页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.1 稳压二极管稳压二极管(1)稳定电压UZ(2)稳定电流IZ(3)最大稳定电流IZmax(4)动态电阻rZ(5)温度系数(6)最大允许耗散功率PZ2.主要参数本讲稿第二十六页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用【例【例1-1】在图1-21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。当图1-21稳压电路解解当，反向击穿稳压，正向导通，；同理，本讲稿第二十七页，共三十七页第第1章章 半导体
15、二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.2 发光二极管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1-22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。图1-22发光二极管符号本讲稿第二十八页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.3 光敏二极管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
16、号如图1-23所示。图1-23光敏二极管符号图1-24光敏二极管的特性曲线本讲稿第二十九页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.4 变容二极管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1-25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。图1-25变容二极管符号本讲稿第三十页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.5 隧道二极管隧道二极管隧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
17、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。图1-26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。本讲稿第三十一页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.6 肖特基二极管肖特基二极管肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode)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
18、。它是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。本讲稿第三十二页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.7 片式二极管片式二极管片式二极管的外型如图1-27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(见图1-27(a)和矩形片式二极管(见图1-27(b)，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。图1-27片式二极管的外形本讲稿第三十三页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.4.8
19、快恢复二极管快恢复二极管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)的优点是反向恢复时间短、开关特性好、体积小。广泛用于脉宽调制器、不间断电源、开关电源、变频调速器等电路中，作为高频大电流整流、续流二极管应用。本讲稿第三十四页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用快恢复二极管
20、的内部结构和外形如图1-29所示。其内部结构可分为单管和对管两种，在对管内部有两只快恢复二极管，由于这两只管子的接法不同，又可分为共阴对管和共阳对管。图1-29快恢复二极管的内部结构和外形本讲稿第三十五页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用2.快恢复二极管的检测将万用表置于R1k挡，测快恢复二极管的正、反电阻值，正向电阻值一般为几欧姆，反向电阻值为，如果测得的阻值为或0，则表明被测管损坏。对管的检测方法与上述方法基本相同，但必须首先确定其共用端是哪个引脚，然后再用上述方法对各个二极管进行检测。本讲稿第三十六页，共三十七页第第1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用3.快恢复二极管的选用与使用快恢复二极管广泛应用于不间断电源、开关电源、交流电动机的变频调速器、脉宽调制器等电路中，作高频、高压、大电流整流、续流二极管用。具体选用时应根据具体电路的要求，选择合适参数的管子。在选用时如果单管的参数不能满足要求而对管能满足要求时，则可把对管当作单管使用。在使用对管中如有一只管子损坏，则可作单管使用。本讲稿第三十七页，共三十七页