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1、第1章半导体二极管及其基本应用电路本讲稿第一页，共二十六页本章教学基本要求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。本讲稿第二页，共二十六页1.1 半导体二极管半导
2、体二极管 1.1.1 PN结 1本征半导体 几乎不含杂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。本讲稿第三页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管 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。本讲稿第四页
3、，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管 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。本讲稿第五页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管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
4、半导体和N型半导体两大类。本讲稿第六页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管 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。本讲稿第七页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管本讲稿
5、第八页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管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。本讲稿第九页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管本讲稿第十页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管1.1.2 1.1.2 半导体二极管的结构和符号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
6、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。本讲稿第十一页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管图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。本讲稿第十二页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管1.1.3 1.1.3 半导体二极管的伏安特性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
7、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，本讲稿第十三页，共二十六页1.1 半导体二极管半导体二极管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
8、下移动。本讲稿第十四页，共二十六页1.2半导体二极管的等效电路半导体二极管的等效电路1.2.1 1.2.1 理想二极管伏安特性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）。本讲稿第十五页，共二十六页1.2半导体二极管的等效电路半导体二极管的等效电路1.2.2 1.2.2 二极管固定压降伏安特性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。并在电路中呈现为一个固定正向压降（通常硅管取0.
9、7V，锗管取0.3V），否则二极管不导通，电流为零。本讲稿第十六页，共二十六页1.3半导体二极管的基本应用半导体二极管的基本应用1.3.1 1.3.1 单相整流滤波电路单相整流滤波电路本讲稿第十七页，共二十六页1.3半导体二极管的基本应用半导体二极管的基本应用1.3.1 1.3.1 单相整流滤波电路单相整流滤波电路本讲稿第十八页，共二十六页1.3半导体二极管的基本应用半导体二极管的基本应用1.3.1 1.3.1 单相整流滤波电路单相整流滤波电路本讲稿第十九页，共二十六页1.3半导体二极管的基本应用半导体二极管的基本应用1.3.2 1.3.2 倍压整流电路简介倍压整流电路简介实践中有时需要高电压
10、、小电流的直流电源，这时若采用前述整流电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流二极管获得高于输入电压许多倍的输出电压。低耐压的整流二极管获得高于输入电压许多倍的输出电压。图图1-3-101-3-10为倍压整
11、流电路，该电路是用为倍压整流电路，该电路是用n n个整流二极管和个整流二极管和n n个电容组个电容组成成n n倍压整流电路。从图倍压整流电路。从图1-3-101-3-10中中a a、c c两端取出电压为两端取出电压为n nU U2 2，其中，其中n n为偶数；而从为偶数；而从b b、d d两端取出电压为两端取出电压为n nU U2 2，其中，其中n n为奇数。可以根为奇数。可以根据需要选择输出电压。在电路中，除了电容据需要选择输出电压。在电路中，除了电容C C1 1承受电压为承受电压为U U2 2外，外，其他电容上承受的电压均为其他电容上承受的电压均为2 2U U2 2，每个整流管的反向电压为
12、，每个整流管的反向电压为2 2U U2 2。该电路虽可得到较高的直流输出电压，但它的输出特性。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。合。本讲稿第二十页，共二十六页1.3半导体二极管的基本应用半导体二极管的基本应用 1.3.3 1.3.3 限副电路限副电路 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、-UC
13、2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。本讲稿第二十一页，共二十六页1.4 特种二极管特种二极管1.4.1 1.4.1 稳压二极管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，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。直流电压。本讲稿第二十二页，共二十六页1.4 特种二极管特种二极管
14、1.4.2 1.4.2 发光二极管发光二极管发光二极管（简称发光二极管（简称LEDLED）是一种光发射器件，它是一种新型冷光源，）是一种光发射器件，它是一种新型冷光源，是由镓（是由镓（GaGa）、砷（）、砷（ASAS）、磷（）、磷（P P）等的化合物制成的。由这些）等的化合物制成的。由这些材料构成的材料构成的PNPN结加上正向电压时，结加上正向电压时，N N区电子和区电子和P P区空穴都穿过区空穴都穿过PNPN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，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，所以所以PNPN结便以发光的形式来释放载流子复合时的能量。结便以发光的
15、形式来释放载流子复合时的能量。本讲稿第二十三页，共二十六页1.4 特种二极管特种二极管1.4.3 1.4.3 光电二极管光电二极管光电二极管又称光敏二极管，是一种光接收器件，光电二极管又称光敏二极管，是一种光接收器件，其其PNPN结工作在反偏状态。结工作在反偏状态。本讲稿第二十四页，共二十六页1.4 特种二极管特种二极管1.4.4 1.4.4 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PNPN结的电容效应工作的，它工作结的电容效应工作的，它工作于反向偏置状态。于反向偏置状态。本讲稿第二十五页，共二十六页1.4 特种二极管特种二极管1.4.5 1.4.5 激光二极管激光二极管激光是英文激光是英文LaserLaser的意译，音译为的意译，音译为“镭射镭射”。激光是。激光是由激光器产生的。激光器有固体激光器、气体激光由激光器产生的。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。的半导体激光器是砷化镓激光器，即激光二极管。本讲稿第二十六页，共二十六页