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1、第2章半导体二极管及其应用电路本讲稿第一页，共二十九页2.1 半导体的基础知识半导体的基础知识2.1.1半导体半导体导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，我们称之为半导体。导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，我们称之为半导体。半导体有以下特点半导体有以下特点:常用的半导体材料有常用的半导体材料有:元素半导体，如硅元素半导体，如硅(Bi、锗、锗(Ge等等;化合物半导化合物半导体，如砷化稼体，如砷化稼(GaAs等；以及掺杂或制成其他化合物半导体材等；以及掺杂或制成其他化合物半导体材料，如硼料，如硼(B)、磷、磷(P)、锢、锢(In)和锑和锑(Sb)等。其中，硅是最常用的一等。其中，硅是最常用的一种半
2、导体材料。种半导体材料。(1)半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。(2)半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。(3)在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。下一页下一页本讲稿第二页，共二十九页2.1 半导体的基础知识半导体的基础知识2.1.2本征半导体本征半导体本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅(Si)和单晶锗和单晶锗(Ge)，其原子结构
3、如，其原子结构如图图2-1(a)、(b)所示。所示。在硅和锗等半导体材料中，内部原子排列是有规律的，即为晶体结在硅和锗等半导体材料中，内部原子排列是有规律的，即为晶体结构。每个原子受邻近四个原子的束缚，组成四个共价键。共价键像构。每个原子受邻近四个原子的束缚，组成四个共价键。共价键像纽带一样将排列整齐的原子连接起来，如纽带一样将排列整齐的原子连接起来，如图图2-2所示。所示。由热激发产生的自由电子，也会释放能量返回到附近的空穴，这种现象由热激发产生的自由电子，也会释放能量返回到附近的空穴，这种现象称为复合。称为复合。热激发和光激发统称为本征激发。热激发和光激发统称为本征激发。在本征半导体中，随
4、着温度的升高或光照的增强，电子一空穴对的数量将大在本征半导体中，随着温度的升高或光照的增强，电子一空穴对的数量将大大增加，导电能力将大大提高，这就是半导体具有热敏性和光敏性的基本原大增加，导电能力将大大提高，这就是半导体具有热敏性和光敏性的基本原理。理。下一页下一页上一页上一页本讲稿第三页，共二十九页2.1 半导体的基础知识半导体的基础知识2.1.3杂质半导体杂质半导体杂质半导体是指在本征半导体中掺入了微量其他元素杂质半导体是指在本征半导体中掺入了微量其他元素(称为杂质称为杂质)的半导体。的半导体。1.N型半导体型半导体在纯净的半导体硅在纯净的半导体硅(或锗或锗)中掺入微量五价元素中掺入微量五
5、价元素(如磷如磷)后，就可成为后，就可成为N型半型半导体，如导体，如图图2-3(a)所示。所示。2.P型半导体型半导体P型半导体是在本征半导体硅型半导体是在本征半导体硅(或锗或锗)中掺入微量的三价元素中掺入微量的三价元素(如硼、锢如硼、锢等等)而形成的，如而形成的，如图图2-3(b)所示。所示。上一页上一页返返 回回本讲稿第四页，共二十九页2.2 PN结与晶体二极管结与晶体二极管2.2.1 PN结的基本原理结的基本原理1.PN结的形成结的形成载流子扩散形成内建电场，内建电场形成载流子扩散形成内建电场，内建电场形成PN结。结。因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说因为在空间电
6、荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此空间电荷区又称为耗尽层。消耗尽了，因此空间电荷区又称为耗尽层。2.PN结的单向导电特性结的单向导电特性在在PN结两端外加电压，称为给结两端外加电压，称为给PN结以偏置电压。结以偏置电压。1)PN结正向偏置结正向偏置导通导通将将PN结按结按图图2-4(b)所示方式连接，此时称所示方式连接，此时称PN结为反向偏置结为反向偏置(简称反偏简称反偏)。PN结具有单向导电性，加正向电压时，结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流较大，是结电阻很小，电流较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，多数载流子的扩散运动形成的；加反向
7、电压时，PN结电阻很大，电流结电阻很大，电流很小，是少数载流子很小，是少数载流子 运动形成的。运动形成的。下一页下一页本讲稿第五页，共二十九页2.2 PN结与晶体二极管结与晶体二极管2.2.2晶体二极管晶体二极管1.半导体二极管的结构、符号及类型半导体二极管的结构、符号及类型1)类型类型(1)按材料分按材料分:有硅二极管、锗二极管和砷化稼二极管等。有硅二极管、锗二极管和砷化稼二极管等。(2)按结构分按结构分:根据根据PN结面积大小，有点接触型、面接触型二极管。结面积大小，有点接触型、面接触型二极管。(3)按用途分按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极有整流、稳压、开关、发光
8、、光电、变容、阻尼等二极管。管。(4)按封装形式分按封装形式分:有塑封及金属封装等二极管。有塑封及金属封装等二极管。(5)按功率分按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。有大功率、中功率及小功率等二极管。2)结构及符号结构及符号半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。二极管的结构与符号如半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。二极管的结构与符号如图图2-5所示。所示。下一页下一页上一页上一页本讲稿第六页，共二十九页2.2 PN结与晶体二极管结与晶体二极管2.2.1 PN结的基本原理结的基本原理2.半导体二极管的命名方法半导体二极管的命名方法半导体器件的型号由五个部分组成，如图半导体器件的型
9、号由五个部分组成，如图2-6所示。所示。3.晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性半导体二极管的核心是半导体二极管的核心是PN结，它的特性就是结，它的特性就是PN结的特性结的特性单向导电性。单向导电性。利用伏安特性曲线可形象地描述二极管的单向导电性。利用伏安特性曲线可形象地描述二极管的单向导电性。二极管的伏安特性曲线，如二极管的伏安特性曲线，如图图2-7所示。所示。4.二极管的主要参数二极管的主要参数1)最大整流电流最大整流电流IFM2)最高反向工作电压最高反向工作电压URM3)最大反向电流最大反向电流IRM4)最高工作频率最高工作频率fM下一页下一页上一页上一页本讲稿第七页，共二十九页2.
10、2 PN结与晶体二极管结与晶体二极管2.2.1 PN结的基本原理结的基本原理5.二极管的选择与使用注意事项二极管的选择与使用注意事项(1)要求导通电压低时选锗管要求导通电压低时选锗管;要求反向电流小时选硅管。要求反向电流小时选硅管。(2)要求导通电流大时选平面形要求导通电流大时选平面形;要求工作频率高时选点接触型。要求工作频率高时选点接触型。(3)要求反向击穿电压高时选硅管。要求反向击穿电压高时选硅管。(4)要求耐高温时选硅管。要求耐高温时选硅管。6.二极管的检测二极管的检测(1)一般情况下，可利用万用表判断普通二极管的极性，并粗略地鉴别其一般情况下，可利用万用表判断普通二极管的极性，并粗略地
11、鉴别其质量好坏。如图质量好坏。如图2-8所示。所示。(2)当需要获知二极管的伏安特性时，可利用晶体管特性测试仪当需要获知二极管的伏安特性时，可利用晶体管特性测试仪测得，也可利用测试电路测得。测得，也可利用测试电路测得。下一页下一页上一页上一页本讲稿第八页，共二十九页2.2 PN结与晶体二极管结与晶体二极管2.2.1 PN结的基本原理结的基本原理7.半导体二极管的应用半导体二极管的应用二极管是电子电路中最常用的器件。二极管是电子电路中最常用的器件。1)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2-9所示。所示。2)限幅
12、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。如幅电路。如图图2-10所示。所示。3)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，如害，如图图2-11所示电路，所示电路，L和和R是线圈的电感和电阻。是线圈的电感和电阻。上一页上一页返返 回回本讲稿第九页，共二十九页2.3 特殊二极管特殊二极管2.3.1稳压管稳压管 稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管。它是一种特殊的面接触稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管。它
13、是一种特殊的面接触型硅二极管，其符号和伏安特性曲线如型硅二极管，其符号和伏安特性曲线如图图2-12所示，它的正向特性曲所示，它的正向特性曲线与普通二极管相似，而反向击穿特性曲线很陡。线与普通二极管相似，而反向击穿特性曲线很陡。稳压二极管的主要参数如下稳压二极管的主要参数如下:(1)稳定电压稳定电压UZ(2)稳定电流稳定电流IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率PM(4)动态电阻动态电阻rZ下一页下一页本讲稿第十页，共二十九页2.3 特殊二极管特殊二极管2.3.2发光二极管发光二极管 发光二极管发光二极管(LED)与普通二极管一样，也是由与普通二极管一样，也是由PN结构成的，同样具结构成的，同样具有
14、单向导电性，但在正向导通时，由于空穴和电子的复合而发出能有单向导电性，但在正向导通时，由于空穴和电子的复合而发出能量，发出一定波长的可见光。量，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同，常见的光的波长不同，颜色也不同，常见的LE D有红、绿、黄等颜色。有红、绿、黄等颜色。电路符号如电路符号如图图2-13所示。所示。下一页下一页上一页上一页本讲稿第十一页，共二十九页2.3 特殊二极管特殊二极管2.3.3光电二极管光电二极管光电二极管又称光敏二极管，是一种将光信号转为电信号的半导光电二极管又称光敏二极管，是一种将光信号转为电信号的半导体器件，其电路符号如图体器件，其电路符号如图2-14所示。
15、光电二极管的结构与普通二极管所示。光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，只是在它的的结构基本相同，只是在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。外部的光照。光电二极管的光电二极管的PN结在反向偏置状态下运行，其反向电流随光照强结在反向偏置状态下运行，其反向电流随光照强度的增加而上升。度的增加而上升。下一页下一页上一页上一页本讲稿第十二页，共二十九页2.3 特殊二极管特殊二极管2.3.4变容二极管变容二极管 变容二极管是利用变容二极管是利用PN结电容可变原理制成的半导体器件，它仍工作结电容可变原理制成的半导体器件，它仍工作在反向偏置状态。
16、在反向偏置状态。它的压控特性曲线和电路符号如图它的压控特性曲线和电路符号如图2-15所示。所示。因其容量很小，为皮法数量级，所以主要用于高频场合下，例如，因其容量很小，为皮法数量级，所以主要用于高频场合下，例如，电调谐、调频信号的产生等。电调谐、调频信号的产生等。上一页上一页返返 回回本讲稿第十三页，共二十九页小结小结(1)PN结是半导体器件的基础结是半导体器件的基础,PN结正偏导通、反偏截止，具有单向导电性、结正偏导通、反偏截止，具有单向导电性、反向击穿性和非线性的特点。反向击穿性和非线性的特点。(2)二极管本质上是一个二极管本质上是一个PN结，其主要特点是单向导电性。其全面的性质结，其主要
17、特点是单向导电性。其全面的性质可用伏安特性来描述。可用伏安特性来描述。(3)二极管可用于整流、限幅、保护、开关等电路中。二极管可用于整流、限幅、保护、开关等电路中。(4)稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等都是常用的特殊稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等都是常用的特殊二极管，各自用在不同的电路中。二极管，各自用在不同的电路中。返返 回回本讲稿第十四页，共二十九页图图2-1 原子结构示意图原子结构示意图返返 回回本讲稿第十五页，共二十九页图图2-2 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构返返 回回本讲稿第十六页，共二十九页图图2-3 掺杂质后的半导体掺杂质后的半导体返返
18、回回本讲稿第十七页，共二十九页图图2-4 PN结的单向导电性结的单向导电性返返 回回本讲稿第十八页，共二十九页图图2-5 二极管的结构与符号二极管的结构与符号返返 回回本讲稿第十九页，共二十九页图图2-6 半导体器件的型号组成半导体器件的型号组成返返 回回本讲稿第二十页，共二十九页图图2-7 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线返返 回回本讲稿第二十一页，共二十九页图图2-8 万用表简易测试二极管示意图万用表简易测试二极管示意图返返 回回本讲稿第二十二页，共二十九页图图2-9 二极管钳位电路二极管钳位电路返返 回回本讲稿第二十三页，共二十九页图图2-10 二极管上限幅电路及波形二极管上限幅电路及波形返返 回回本讲稿第二十四页，共二十九页图图2-11 二极管保护电路二极管保护电路返返 回回本讲稿第二十五页，共二十九页图图2-12 稳压管的伏安特性及符号稳压管的伏安特性及符号返返 回回本讲稿第二十六页，共二十九页图图2-13发光二极管电路符号发光二极管电路符号返返 回回本讲稿第二十七页，共二十九页图图2-14光电二极管电路符号光电二极管电路符号返返 回回本讲稿第二十八页，共二十九页图图2-15变容二极管符号及特性变容二极管符号及特性返返 回回本讲稿第二十九页，共二十九页