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1、 第一章 半导体二极管及应用电路 1 理理 工工 大大 学学 教教 案案 第 一 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：1.1 半导体的导电特性 1.1.1 本征半导体及其导电特性 1.1.2 N 型半导体 1.1.3 P 型半导体 1.2 PN 结的形成及特性 1.2.1 PN 结的形成 1.2.2 PN 结的单向导电性 1.2.3 PN 结的电容效应 1.3 二极管 1.3.1 二极管的基本结构 1.3.2 二极管的伏安特性 1.3.3 二极管的参数、型号及选择 1.3.4 二极管的分析方法 1.3.5 二极管的应用 常用仪器使用：
2、学习数字存储示波器、数字万用表、交流毫伏表、信号发生器等常用电子仪器的使用。重点：1.PN 结的形成及单相导电特性 2.普通二极管伏安特性,二极管的模型 难点：PN 结的单向导电特性,二极管的模型 教学目的要求：1.掌握杂质半导体的结构和特征 2.牢固掌握 P 型和 N 型半导体的特点 3.掌握PN结的单向导电特性 4.普通二极管伏安特性,二极管的模型教学方法和教学手段：板书和多媒体教学相结合，以教师讲授为主，结合学生的课堂练习和讨论。讨论、思考题、1.PN 结是如何形成的？2.如何理解 PN 结的单向导电性？5.PN 结的正反向电流是怎样产生的？这两个电流在数值上有什么差别？4.如何用万用表
3、判断二极管的好坏？作业：1.1;1.4 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 第一章 半导体二极管及应用电路 2第一章 半导体二极管及应用电路 第一章 半导体二极管及应用电路 半导体器件是构成各种电子电路的基础，二极管是最常用的半导体器件。本章首先介绍半导体的导电特性，阐述 PN 结的形成及特性，然后介绍二极管的结构、伏安特性、主要参数、分析方法及应用电路，最后介绍稳压管等特殊二极管。1.1 半导体的导电特性 1.1 半导体的导电特性 物质按其导电能力可分为导体、绝缘体和半导体三种。通常人们把易导电的物质称为导体，如金、
4、银、铜等；把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘体，如陶瓷、云母、塑料、橡胶等；把导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变，半导体具有以下特性：(1)热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性可制成热敏元件。如热敏电阻，热敏电阻分为正温度系数和负温度系数两种，如 MF58 属于负温度系数的热敏电阻，即其电阻值随着温度的升高而降低。(2)光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。如光敏电阻随
5、着光照强度的增加，其电阻值下降。(3)掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻率就从 2103m 减小到 410-3m 左右，利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管、场效应管及晶闸管等。半导体为什么会具有上述特性呢？要回答这个问题，必须研究半导体的内部结构。下面，介绍半导体 物质的内部结构和导电机理。第一章 半导体二极管及应用电路 31.1.1 本征半导体及其导电特性 1.1.1 本征半导体及其导电特性 用的最多的半导体材料是硅和锗。硅和锗的原子结构图如图 1.1.1(a)所
6、示，硅的原子序数是 14，在硅原子中共有 14 个电子围绕着原子核旋转，在最外层轨道上有 4 个电子，称为价电子。同样，锗的原子序数是 32，最外层轨道上也有 4 个电子，所以硅和锗都是四价元素，为了简单明了，常常用带有+4 电荷的正离子以及它周围的 4 个价电子来表示一个 4 价元素的原子如图 1.1.1(b)所示。(a)锗和硅原子结构 (b)4 价原子的简化表示 图 1.1.1 锗和硅原子结构及简化表示 第一章 半导体二极管及应用电路 4将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，成为晶格。在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四
7、个原子结合。每一原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻的原子结合在一起，构成共价键的结构，如图 1.1.2 所示。图 1.1.2 本证半导体结构示意图 由于晶体中共价键具有很强的结合力，因此在绝对零度（即 T=0K）和无外界激发时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中没有能够导电的载流子，所以不能导电，但当温度升高或受光照时，将有少数价电子从外界获得足够的能量，挣脱共价键的束缚而成为自由电子，同时，在原来共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位被称为空穴空穴，如图 1.1.3 所示。自由电子和空穴是成对出现的，称它们为电子-空穴
8、对。在本征半导体中，自由电子与空穴的数量总是相等的。第一章 半导体二极管及应用电路 5 图 1.1.3 本征半导体中的自由电子与空穴 在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴，这个空穴也可以由它相邻原子中的价电子来递补，接着又出现一个空穴，如此继续下去，价电子的逐次递补就好像空穴向反方向运动一样，因此空穴运动相当于正电荷的运动。由此可见，本征半导体中存在两种载流子：本征半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴自由电子和空穴。因此，当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动所形
9、成的电子电流，二是由价电子(不是自由电子)递补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电的最大特点。自由电子和空穴统称为载流子，电子带负电，空穴带正电，它们定向移动都能形成电流。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，另一方面，自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中的自由电子和空穴数目便维持在一定的数值。温度愈高，载流子数目越多，半导体的导电性能也就越强。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导
10、电能力仍然很差。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)，这将使掺杂后的半导体(杂质半 第一章 半导体二极管及应用电路 6导体)的导电能力大大增强。根据掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两大类：N 形半导体和 P 形半导体。1.1.2 N 型半导体 1.1.2 N 型半导体 图 1.1.4 N 型半导体的晶体结构 在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素(磷，砷，锑等)，例如在硅晶体中掺入少量的磷，由于掺入的磷原子数比硅原子数少的多，因此整个晶体结构基本上不变，只是某些位置上的硅原子被磷原子取代。磷原子的最外层有五个价电子，它与周围 4 个硅原子组成共价键时只需四个价电子，多余的价电子不受共价键的束缚，而
11、只受自身原子核的吸引，这种束缚力比较微弱，在室温下即可成为自由电子，如图 1.1.4 所示，因此，半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故称它为电子型半导体或 N 型半导体N 型半导体。由于 N型半导体中的自由电子数目的增多增加了和空穴复合的机会，空穴的数目比本征半导体空穴的数目少，所以，自由电子被称为多数载流子多数载流子，简称多子多子，而空穴被称为少数载流子少数载流子，简称少子少子。在 N 型半导体中，失去电子的磷原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子，以后用“”表示。由于磷原子提供电子，所以称为施主原子。第一章 半导体二极管及应用电路 71.
12、1.3 P 型半导体 1.1.3 P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素(硼、镓、铟等)，例如在硅晶体中掺入少量的硼，由于硼原子数量比硅原子数量要少得多，因此整个晶体结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替。硼原子最外层只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时将缺少一个价电子，在常温下很容易从其他位置的共价键中夺取一个电子，使硼原子对外呈现为负电荷，形成负离子，以后用“”表示。同时在其他地方产生一个空穴，如图 1.1.5 所示，这种半导体的空穴数远大于自由电子数，称之为 P 型半导体P 型半导体或空穴半导体。显然在 P 型半导体中，空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。
13、由于硼原子起着接受电子的作用，所以称为受主原子。图 1.1.5 P 型半导体的晶体结构 应注意，不论是 N 型半导体还是 P 型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。【练习与思考】【练习与思考】1.1.1 什么是本征半导体？什么是杂质半导体？1.1.2 为什么称空穴是载流子？空穴电流是自由电子递补空穴形成的吗？1.1.3 在本征半导体中，自由电子和空穴在数量上有什么关系？自由电子导 第一章 半导体二极管及应用电路 8电和空穴导电有什么区别？1.1.4 N 型半导体的多数载流子是自由电子，P 型半导体的多数载流子是空穴，是否 N 型半导体带负电，P 型半导体带正电？1
14、.1.5 杂质半导体少数载流子的浓度与本征半导体载流子的浓度一样吗？为什么？1.2 PN 结的形成及特性 1.2 PN 结的形成及特性 1.2.1 PN 结的形成 1.2.1 PN 结的形成 1.PN 结的形成 在一块本征半导体上，一侧掺入三价元素，使其变为 P 型半导体，另一侧掺入五价元素，使其变为 N 型半导体，由于 P 区有大量的空穴(浓度大)，而 N 区的空穴极少(浓度小)，因此空穴要从浓度大的 P 区向浓度小的 N 区扩散扩散，同样 N 区的自由电子要向 P 区扩散。随着扩散的进行，在交界面附近的 P 区留下一些带负电的不能移动的离子，形成负空间电荷区，在交界面附近的 N 区留下带正
15、电的不能移动的离子，形成正空间电荷区。这样，在 P 型半导体和 N 型半导体交界面的两侧就形成了一个空间电荷区，从而形成了内电场，其方向从 N 区指向 P 区，空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，但内电场对少数载流子(P 区的自由电子和 N 区的空穴)，则可推动它们越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场的作用下有规则的运动称为漂移运动漂移运动。图 1.2.1 PN 结的形成 扩散和漂移是互相联系的，也是互相矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。但在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，第一章 半导体二极管及应用电路 9内电场逐步加强，在一定条件下，
16、多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡动态平衡，也就是 P区的空穴(多数载流子)向 N 区扩散的数量与 N 区的空穴(少数载流子)向 P 区漂移的数量相等，对自由电子来讲也是这样。达到动态平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN 结就处于相对稳定的状态。空间电荷区的宽度约为几微米几十微米，这个空间电荷区就是 PN 结PN 结，如图 1.2.1 所示。形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是他们不能移动，不参与导电，而在这个区域内，载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高，因此空间电荷区也叫高阻区高阻区。此外，该区域多数载流子已扩散到
17、对方并复合掉了，故空间电荷区也叫耗尽层耗尽层。正负空间电荷在交界面两侧形成的内电场，其方向从带正电的 N 区指向带负电的 P 区，由 P 区向 N 区扩散的多数载流子空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力，而由 N 区向 P 区扩散的多数载流子自由电子也将受到内电场的阻力，即内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层阻挡层。1.2.2 PN 结的单向导电性 1.2.2 PN 结的单向导电性 上面讨论的是 PN 结在没有外加电压时的情况，下面讨论在 PN 结上加外部电压情况。1.PN 结上加正向电压 当电源的正极接 P 区，负极接 N 区，称为 PN 结加正向电压，也称 PN
18、 结正向偏置正向偏置（简称正偏），如图 1.2.2 所示，可见外电场与内电场方向相反，因此扩散与漂移运动的平衡被破坏。第一章 半导体二极管及应用电路 10 图 1.2.2 PN 结加正向电压 外电场的作用将使 P 区的空穴向右移动，与空间电荷区内的一部分负离子中和；使 N 区的自由电子向左移动，与空间电荷区的一部分正离子中和，于是，整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动加强，漂移运动减弱。由于外加电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，方向是从 P 区流向 N 区。至于漂移运动，本来就是少数载流子的运动形成的，数量很少，故对总电流的影响可以忽略。所以正向接法的
19、PN 结处于导通状态，呈现的电阻很低，正向偏置时，只要在 PN 结上加较小的电压，即可得到较大的正向电流，因而应在其所在的回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止 PN 结因正向电流过大而损坏。2.PN 结上加反向电压 电源正极接 N 区，负极接 P 区，如图 1.2.3 所示，称 PN 结上加反向电压，或称 PN 结反向偏置反向偏置。由于外电场与内电场方向一致，也破坏了扩散与漂移运动的平衡，外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，在电路中形成了反向电流IS，方向如图 1.
20、2.3 所示。由于少数载流子数量很少，故反向电流很小，即 PN 结呈现的反向电阻很高。又因为少数载流子是由获得热能(热激发)的价电子挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度愈高，少数载流子数量愈多，反向电流也就愈大。所以，温度对反向电流的影响很大。第一章 半导体二极管及应用电路 11 图 1.2.3 PN 结加反向电压 综上所述，PN 结具有单向导电性PN 结具有单向导电性，即在 PN 结上加正向电压时，PN 结变窄，电阻很低，正向电流较大，PN 结处于导通状态；加反向电压时，PN 结变厚，电阻很高，反向电流很小(常被忽略不计)，PN 结处于截止状态。可见，PN 结具有单向导电性。1.2.3 PN
21、结的电容效应 1.2.3 PN 结的电容效应 PN 结具有一定的电容效应，根据产生原因的不同分为势垒电容CB和扩散电容CD。(1)势垒电容CB 势垒电容势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动正负杂质离子组成的，均具有一定的电荷量，所以空间电荷区存储了一定的电荷。当外加电压使PN结上压降发生变化时，阻挡层的宽度也相应地随之改变，这相当于PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电，势垒电容的示意图如图1.2.4所示。势垒电容CB具有非线性，它与结面积、阻挡层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。势垒电容CB与外加电压V的关系如图1.2.5所示，利用PN结加反向电压势垒电容
22、CB与外加电压V变化的特性，可以制成各种变容二极管。第一章 半导体二极管及应用电路 12 图1.2.4势垒电容的示意图 图 1.2.5 势垒电容与外加电压u的关系 (2)扩散电容CD 扩散电容扩散电容是 PN 结加正向电压时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。PN 结加正向电压时，N 区的电子扩散到 P 区，同时 P 区的空穴也扩散到 N区，在 PN 结的交界面处载流子的浓度最高，随着扩散的进行，离交界面越远，载流子的浓度越低。这些扩散的载流子，在扩散区积累了电荷，总的电荷量相当于图1.2.6(表示了P区电子浓度nP随离开交界面的距离x的分布)曲线1以下的部分。当 PN 结正向电压增
23、大时，则多数载流子扩散加强，电荷积累量由曲线 1 变为曲线2，电荷量增加为Q。反之，当 PN 结正向电压减小时，积累的电荷将减少。因为这种电荷量的变化是由载流子的扩散引起的，所以称为扩散电容。扩散电容CD具有非线性，它与流过 PN 结的正向电流、温度的电压当量以及非平衡少子的寿命有 第一章 半导体二极管及应用电路 13关。PN 结的结电容是势垒电容CB和扩散电容CD之和，当 PN 结正向偏置时，扩散电容起主要作用，当 PN 结反向偏置时，势垒电容起主要作用。势垒电容CB和扩散电容CD一般都很小，结面积小的为 1pF 左右，结面积大的为几十到几百 pF，PN 结的结电容对低频信号呈现出很大的容抗
24、，其作用可以忽略不计，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。图 1.2.6 PN 结的扩散电容示意图【练习与思考】【练习与思考】1.2.1 什么是扩散运动？什么是漂移运动？1.2.2 PN 结是如何形成的？1.2.3 为什么空间电荷区叫高阻区又叫阻挡层？1.2.4 如何理解 PN 结的单向导电性？1.2.5 PN 结的正反向电流是怎样产生的？这两个电流在数值上有什么差别？第一章 半导体二极管及应用电路 141.3 二极管 1.3 二极管 1.3.1 二极管的基本结构 1.3.1 二极管的基本结构 将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。由 P 区引出的电极为阳极(也称正极)
25、，由 N 区引出的电极为阴极(也称负极)，常见的二极管外型和封装如图 1.3.1 所示。二极管类型很多，按其制造材料可分为硅二极管和锗二极管等；按其结构可分为点接触型、面接触型和平面型二极管。点接触型二极管如图 1.3.2(a)所示，它的特点是 PN 结的面积小，因此管子中不允许通过较大的电流，但其高频性能好，适用于高频电路和小功率整流，也可作数字电路的开关元件。面接触二极管如图1.3.2(b)所示，由于其 PN 结结面积大，故允许流过较大的电流，但只能在较低频率下工作，可用于整流电路。平面二极管图如图 1.3.2(c)所示，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，可作数字电路的开关元件。二极
26、管的符号如图 1.3.2(d)所示。图 1.3.1 常见的二极管外型 第一章 半导体二极管及应用电路 15(a)点接触型 (b)面接触型 (c)硅平面型 (d)符号 图 1.3.2 半导体二极管的结构及符号 1.3.2 二极管的伏安特性 1.3.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性是流过二极管的电流i与加在二极管两端的电压u之间的关系曲线，即i=f(u)，硅二极管 2CP10 的伏安特性如图 1.3.3 所示,锗二极管 2AP15的伏安特性如图 1.3.4 所示。通常把特性曲线分为三部分：正向特性、反向特性和反向击穿特性。第一章 半导体二极管及应用电路 16 图 1.3.3 硅二极管 2CP
27、10 的伏安特性 图 1.3.4 锗二极管 2AP15 的伏安特性 1.正向特性 对应于图 1.3.3 和 1.3.4 的第段为正向特性，由图可见，当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服 PN 结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快，这个数值被称为死区电压,也叫开启电压，其大小与材料及环境温度有关。通常，硅二极管的死区电压约为 0.5V，锗二极管约为 0.1V。管子导通后，正向电流在较大范围内变化时，管子的电压降变化很小，称为管子的导通压降，硅管约为 0.60.8V，锗管约为 0.10.3V。2.反向特性 对应
28、于图 1.3.3 和 1.3.4 的第段为反向特性，由图可见，在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向电流有两个特点，一是它随温度的上升增长很快，二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本不变，而与反向电压的高低无关，故通常称它为反向饱和电流，用符号IS表示。3.反向击穿特性 当外加反向电压过高时，超过UBR以后，反向电流将急剧增大，这种现象称为击穿，对应于图 1.3.3 和 1.3.4 的第段，UBR称为反向击穿电压。二极管击穿以后，不再具有单向导电性。PN 结击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。(1)雪崩击穿 第一章 半导体二极管及应用电路 17
29、雪崩击穿的物理过程是这样的：当 PN 结反向电压增加时，空间电荷区中电场随着增强，通过空间电荷区的电子和空穴，在电场作用下获得很大的能量，在运动中不断与晶体原子发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞，可使价电子激发，形成电子-空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子和空穴与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，获得能量，又可通过碰撞，再产生电子-空穴对，这就是载流子的倍增效应，当 PN 结反向电压增加到一定数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大。(2)齐纳击穿 齐纳击穿的物理过程是这样的：在加有较高的反向电压下，PN 结
30、空间电荷区中存在一个强电场，它能够直接破坏共价键，将束缚的价电子拉出来形成电子空穴对，因而形成较大的反向电流。齐纳击穿一般发生在杂质浓度大的 PN 结中，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，即使反向电压不太高，在 PN 结内就可形成很强的电场，容易形成齐纳击穿。一般整流二极管掺杂浓度不很高，它的电击穿多数是雪崩击穿。齐纳击穿多数出现在特殊的二极管中，如稳压二极管。由于击穿破坏了 PN 结的单向导电性，所以使用时应尽量避免出现击穿。必须指出，上述两种电击穿过程是可逆的，这就是说，当加在 PN 结两端的反向电压降低后，PN 结仍可以恢复原来的状态。但有一个前提条件，就是反
31、向电流和反向电压的乘积不超过 PN 结容许的耗散功率，超过了就会因热量散不出去而使PN 结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿。电击穿往往可为人们所利用(如稳压二圾管)，而热击穿则是必须避免的。4伏安特性的数学表达式 根据理论分析，二极管的电流i与端电压u可用下式表示：)1e(TSUuIi (1.3.1)式 1.3.1 中IS为反向饱和电流，u为二极管两端的电压降，UT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度，对于室温(T=300K)，则有UT=26mV。如果u比UT大，满足eTUu1，则式(1.3.1)可近似为 第一章 半导体二极管及应用电路 1
32、8eTSUuIi (1.3.2)说明电流与电压基本上成为指数关系。1.3.3 二极管的参数、型号及选择 1.3.3 二极管的参数、型号及选择 1.二极管的主要参数 电子器件的参数是其特性的定量描述，也是实际工作选用器件的主要依据。二极管的主要参数有：(1)最大整流电流IF 指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。使用时，管子的平均电流不得超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。例如 2APl 的最大整流电流为 16mA。(2)最高反向工作电压UR 工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR
33、的一半定为UR。例如 2AP1 的最高反向工作电压规定为 20V，而反向击穿电压实际上大于 40V。(3)反向电流IR 反向电流IR是指在室温条件下，二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流值。通常希望IR值越小愈好。反向电流越小，说明管子的单向导电性愈好。一般硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，是硅管的几十到几百倍。此外，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR受温度的影响很大。当温度升高时，由于少数载流子浓度增加，反向电流也随之增加。(4)最高工作频率 fM 是二极管工作的上限截止频率，主要取决于 PN 结的结电容，结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低
34、。2.半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名方法及符号规定见教材附录 A 所示。命名举例如下：第一章 半导体二极管及应用电路 19 2A P 7 用数字代表同类型器件的序号 用字母代表器件的类型，P 代表普通管 用字母代表器件的材料，A 代表 N 型 Ge A 代表 N 型 Ge，B 代表 P 型 Ge，C 代表 N 型 Si，D 代表 P 型 Si 2 代表二极管，3 代表三极管.2AP7 代表 N 型 Ge 材料普通二极管，其最大整流电流IF=12mA，最高反向工作电压UR=100V。3.选择二极管的一般原则(1)要求导通后正向压降小时选锗管；要求反向电流小时选硅管。(2)要求
35、工作电流大时选面接触型；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。(4)要求温度特性好或耐高温时选硅管。读者可根据实际电路的技术要求，估算二极管应具有的参数，并考虑适当的裕量，以确定管子的型号。4二极管的检测（1）判别正、负电极 a.观察外壳上的符号标记。通常在二极管的外壳上标有二极管的符号，带有三角形箭头的一端为正极，另一端是负极。b.观察外壳上的色点。在点接触二极管的外壳上，通常标有极性色点(白色或红色)，一般标有色点的一端即为正极。还有的二极管上标有色环，带色环的一端则为负极。如果是透明玻璃壳二极管，可直接看出极性，即内部连触丝的一端是正极，连半导体片的一端是负极。c
36、.用万用表判别二极管的极性 用万用表测二极管的正、反向电阻值。对于小功率二极管一般选用 R100 或R1K 挡；中、大功率二极管一般选用 R1 或 R10 挡。对于检波二极管或锗小功率二极管，使用 R100 挡，其正向电阻约为 1001000 之间；对于硅管，约 第一章 半导体二极管及应用电路 20为几百欧姆到几千欧姆之间。反向电阻，不论是锗管还是硅管，一般都在几百千欧以上，而且硅管比锗管大。测量方法如下：如将万用表拨在 R100 或 R1K 电阻挡上，两支表笔分别接触二极管的两个电极测其阻值，记下此时的阻值。两支表笔调换，再测一次阻值。两次测量中，阻值小的那一次，测出的是二极管的正向电阻，黑
37、表笔接触的是二极管的正极，红表笔接触的是二极管的负极。(2)二极管的性能检测 按上述方法用万用表检测，如测得正反向电阻值都为无穷大，说明二极管内部断路损坏；如测得正反向电阻值都为零，说明二极管已被击穿；如测得正反向电阻值相差不大，说明其性能变坏或失效；如测得反向电阻值比正向电阻值大几百倍以上，说明二极管性能良好。1.3.4 二极管的分析方法 1.3.4 二极管的分析方法 二极管是非线性器件，在严格的计算时一般要采用非线性电路的分析方法，但是为便于近似估算，下面介绍两种在近似计算中常用的模型。1.理想模型 所谓理想模型，是指二极管承受正向电压时，其管压降为零，相当于开关闭合(也可把二极管看成短路
38、)，等效电路如图 1.3.5(a)所示。当二极管承受反向电压时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开(也可把二极管看成开路)，等效电路如图 1.3.5(b)所示。具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管理想二极管。(a)二极管承受正向电压 (b)二极管承受反向电压 图 1.3.5 理想模型等效电路 2恒压降模型 所谓恒压降模型，是指二极管承受正向电压导通时，其管压降为恒定值，且不随电流而变化，具有这种特性的二极管也叫做实际二极管实际二极管。一般情况下，普通小 第一章 半导体二极管及应用电路 21功率硅管的正向导通电压可取 0.60.7V，而锗管可取 0.2V,恒压降模型等效电路如图 1.3
39、.6 所示。当二极管承受反向电压时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开，等效电路如图(b)所示。在实际电路中，此模型的应用非常广泛。(a)硅二极管的正向导通电压 (b)二极管承受反向电压时等效电路 图 1.3.6 恒压降模型等效电路 例 1.3.1 电路如图 1.3.7(a)所示，二极管采用硅管，电阻R1k，E3V(1)试分别用理想模型和恒压降模型求UR的值。(2)当二极管 VD 反接，电路如图 1.3.7(b)所示，试分别用两种模型求UR的值。(a)(b)1.3.7 例 1.3.1 图 (a)(b)(c)图 1.3.8 例 1.3.1 图 解：(1)采用理想模型，二极管 VD 正向偏置
40、，其管压降为零，相当于开关闭合，等效电路如图 1.3.8(a)所示，所以，UR=E=3V。第一章 半导体二极管及应用电路 22采用恒压降模型，二极管 VD 正向偏置，硅管的管压降约为 0.7V，等效电路如图 1.3.8(b)所示，所以，UR=E0.7=2.3V。(2)二极管 VD 反向偏置，理想模型和恒压降模型一样均相当于开关断开，等效电路如图 1.3.8(c)所示，因此，两种模型的UR=0V。例 1.3.2 电路如图 1.3.9 所示，其中El7V，E25V，E36V，设二极管的导通电压 0.6V。分别估算开关 S 在位置 1 和位置 2 的输出电压Uo的值。图 1.3.9 例 1.3.2
41、图 解：当开关 S 置于位置 1 时，二极管因加反向电压而处于截止状态，二极管VD 相当于开关断开,所以输出电压为 UO=E36V 当开关 S 置于位置 2 时，二极管因加正向电压而处于导通状态，管压降约为0.6V，所以输出电压为 UO=E2+0.6(5+0.6)V=5.6V 1.3.5 二极管的应用 1.3.5 二极管的应用 二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性。它可用于整流、检波、元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元件等。1整流电路 二极管半波整流电路如图 1.3.10(a)所示，设 VD 为理想二极管，当输入电压tuisin10，当ui为正半周时，二极管 VD 因承受正向电
42、压而导通，此时输出电压uoui；而当输入电压ui为负半周时，二极管 VD 因承受反向电压而截止，此时输出电压uo0V，于是就可得到uo的波形。如图 1.3.10(b)所示 第一章 半导体二极管及应用电路 23（a）二极管半波整流电路 （b）uo的波形 图 1.3.10 二极管半波整流电路及波形 2二极管限幅电路 二极管限幅电路如图 1.3.11 所示。设 VD 为理想二极管，由于二极管的阴极接5V，所以只有当ui的瞬时值大于5V 时，二极管 VD 才能导通，此时输出电压uo5V；当ui的瞬时值小于5V 时，二极管 VD 截止，此时输出电压uoui。由此可 见，当ui5V 时，输 出 波 形 就
43、 被 限 幅 了，波 形 如 图 1.3.12 所 示。图 1.3.11 二极管限幅电路 图 1.3.12 波形 3.在数字电路的应用 第一章 半导体二极管及应用电路 24 图 1.3.13 数字电路中的或门电路 数字电路中的或门电路如图 1.3.13 所示，二极管 VD1、VD2用恒压降模型，正向导通电压均为 0.7V，(1)假如输入端uA=3V，uB=0V，由于 A 端电位比 B 端电位高，所以 VD1先导通，uY=uA0.7V=2.3V，当 VD1导通后，VD2上加的是反向电压，因此 VD2截止；(2)假如输入端uA=3V，uB=3V，VD1、VD2都导通，uY=uA0.7V=2.3V；
44、(3)假如输入端uA=0V，uB=0V，VD1、VD2都导通，uY=0.7V。可以证明，该电路中只要有一路输入为 3V，输出即为 2.3V，仅当全部输入为OV 时，输出才为-0.7V。有关这方面的内容将在数字电子中详细讨论。【练习与思考】【练习与思考】1.3.1 为什么用万用表欧姆挡的不同量程测出的二极管阻值也不同?1.3.2 如何用万用表判断二极管的好坏？如何用万用表辨别二极管的阴阳两极？1.3.3 能否将 1.5V 的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？1.3.4 什么是二极管的死区电压?为什么会出现死区电压?硅管和锗管的死区电压大约是多少?1.3.5 什么是 PN 结的电容效应？PN
45、 结加正向电压时，主要考虑何种电容？PN结加反向电压时，主要考虑何种电容？第一章 半导体二极管及应用电路 25山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案案 第 二(1)次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：1.4 特殊二极管 1.4.1 稳压二极管 1.4.2 光敏二极管 1.4.3 发光二极管 1.4.4 变容二极管 重点：1.稳压管的外特性和主要参数;2.稳压管的应用 难点：稳压管的应用 教学目的要求：1.稳压管的外特性和主要参数,稳压管的应用 2了解光敏二极管；发光二极管和变容二极管工作原理 教学方法和教学手段：板书和多媒体教学
46、相结合，以教师讲授为主，结合学生的课堂练习和讨论。讨论、思考题、1.稳压管工作在反向区能稳压吗？为什么？2.为什么稳压管的动态电阻越小,稳压效果越好？3.光电二极管在使用时，是接正向电压还是接反向电压?作业 1.8 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 第一章 半导体二极管及应用电路 261.4 特殊二极管 1.4 特殊二极管 随着电子技术的发展，除了普通二极管外，按照不同的用途和要求，已经制造出功能各异的二极管，如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等，下面分别简单地介绍。1.4.1 稳压二极管 1.4.1 稳压二极管
47、稳压二极管是由硅材料制成的面接触型的二极管，由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起到稳压的作用，故称为稳压二极管稳压二极管，简称稳压管稳压管。常见的稳压管外型如图 1.4.1 所示。图 1.4.1 常见的稳压管外型 1稳压管的伏安特性 稳压管的伏安特性与普通二极管相似，如图 1.4.2(a)所示，符号如图 1.4.2(b)所示。其正向特性仍为指数曲线，也存在一定的死区电压和导通电压。反向特性与普通二极管相比比较陡，从反向特性上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很
48、小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的，当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常，而普通二极管则不同，一旦击穿，则将永久损坏。但是，稳压管若反向电流超过允许范围，将会 第一章 半导体二极管及应用电路 27因发生热击穿而损坏。(a)伏安特性 (b)符号 图 1.4.2 稳压管的伏安特性和符号 2.稳压管的主要参数(1)稳定电压UZ UZ是稳压管在正常工作下管子两端的电压。手册中所列的都是在一定条件(工作电流、温度)下的数值，即使是同一型号的稳压管，由于工艺方面和其它原因，UZ也有一定的分散性，即UZ有一定的差别。例如稳压管 2CW18 的稳定电压
49、为 1012V。这就是说，如果把一个 2CW18 稳压管接到电路中，它可能稳压在 10V；再换一个 2CW18 稳压管，则可能稳压在 11V。(2)电压温度系数au 电压温度系数au表示温度每变化 1稳压值的变化量。例如 2CW18 稳压管的电压温度系数是 0.095%，这是说温度每增加 1，它的稳定电压值将升高0.095%，假设在 20时的稳定电压值是 11V，那么在 50时的稳定电压值将是 11V+C100095.0(50-20)C11V11.3V 一般而言，稳定电压大于 7V 的稳压管，具有正温度系数，即温度升高时，其稳定电压Uz也上升；稳定电压小于 4V 的稳压管具有负温度系数，即温度
50、升高时，其稳定电压Uz将下降。稳定电压在 4V7V 之间的稳压管，温度系数比较小，表示其稳定电压值受温度的影响较小，性能比较稳定。(3)动态电阻rZ 动态电阻是指稳压管工作在反向击穿区时，稳压管两端电压的变化量与相应的 第一章 半导体二极管及应用电路 28电流变化量的比值，即 rZ=IzUz (1.4.1)稳压管的反向伏安特性曲线愈陡，则动态电阻愈小，稳压性能也就愈好。不同型号的稳压管，rz不同，一般从几欧姆到几十欧姆。(4)稳定电流IZ 稳压管的稳定电流值是一个参考数值，若工作电流低于IZ，则管子的稳压性能变差，如果工作电流高于IZ，只要不超过额定功耗，稳压管可以正常工作。一般来说，工作电流