晶體二極管及其應(yīng)用電路

1、1.1 PN結(jié)1.1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.1.2 PN結(jié)1.2 半導(dǎo)體二極管1.2.1 基本結(jié)構(gòu)、種類與符號(hào)1.2.2 伏安特性1.2.3 主要參數(shù)1.2.4 使用注意事項(xiàng) 1.3 二極管應(yīng)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(hù),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?nèi)荻O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(fù)二極管,第1章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用,目錄,本章要點(diǎn): 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) PN結(jié)單向?qū)щ娦?半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)、符號(hào)、伏安特性及應(yīng)用 特殊二極管,本章難點(diǎn): 半導(dǎo)體二極管伏安特性 半導(dǎo)體二極管應(yīng)用,第1章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用,1.1 PN結(jié),在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力

3、，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。,硅原子,鍺原子,硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。,1.半導(dǎo)體特性導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的，稱之為半導(dǎo)體。(1)熱敏性：導(dǎo)體的導(dǎo)電能力對(duì)溫度反應(yīng)靈敏，受溫度影響大。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)，稱為熱敏性。利用熱敏性可制成熱敏元件。(2)光敏性：導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的不同而不同。當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，稱為光敏性。

4、利用光敏性可制成光敏元件。(3)摻雜性：導(dǎo)體更為獨(dú)特的導(dǎo)電性能體現(xiàn)在其導(dǎo)電能力受雜質(zhì)影響極大，稱為摻雜性。,１.１.１　半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),動(dòng)畫演示,本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),束縛電子,在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。,2. 本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。

5、,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，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(dǎo)電，成為自由電子。,自由電子,自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。,可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。 外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。,與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合,在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。,常溫300K時(shí)：,電

6、子空穴對(duì),自由電子 帶負(fù)電荷 逆電場(chǎng)運(yùn)動(dòng) 電子流,＋總電流,空穴 帶正電荷 順電場(chǎng)運(yùn)動(dòng) 空穴流,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。,導(dǎo)電機(jī)制,3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,(1) N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。,N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,硅原子,多數(shù)載流子——自由電子,少數(shù)載流子—— 空

7、穴,施主離子,自由電子,電子空穴對(duì),在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載流子—— 空穴,少數(shù)載流子——自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對(duì),(2) P型半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)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(chǎn)生，與溫度有關(guān),多子濃度——摻雜產(chǎn)生與，溫度無關(guān),?因多子濃度差,?形成內(nèi)電場(chǎng),?多子的擴(kuò)散,?空間電荷區(qū),?阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。,PN結(jié)合

8、,空間電荷區(qū),,多子擴(kuò)散電流,,少子漂移電流,耗盡層,1.2.1 PN結(jié),1 . PN結(jié)的形成,動(dòng)畫演示,動(dòng)態(tài)平衡：,擴(kuò)散電流 ＝ 漂移電流,總電流＝0,2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) 加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū),外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。 外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng),→耗盡層變窄,→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng),→多子擴(kuò)散形成正向電流I F,,動(dòng)畫演示,(2) 加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū),外電場(chǎng)的方向與

9、內(nèi)電場(chǎng)方向相同。 外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng),→耗盡層變寬,→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),→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(chǎn)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(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。,動(dòng)畫演示,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單

10、向?qū)щ娦浴?動(dòng)畫演示,1.2 半導(dǎo)體二極管,二極管 = PN結(jié) + 管殼 + 引線,1.結(jié)構(gòu),符號(hào),1.2.1 基本結(jié)構(gòu)、種類與符號(hào),2.二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：,(1) 點(diǎn)接觸型二極管,PN結(jié)面積小，結(jié)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(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,(2) 面接觸型二極管,PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。,半導(dǎo)體二極管的型號(hào),國(guó)家標(biāo)

11、準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)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(dǎo)通壓降,(2) 反向特性,死區(qū)電壓,實(shí)驗(yàn)曲線,硅：0.7 V 鍺：0.3V,(1)正向特性： 對(duì)應(yīng)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(shí)加在二極管兩端的電壓不大，從數(shù)值上看，只有零點(diǎn)幾伏，但此時(shí)流過二極管的電流卻較大，即此時(shí)二極管呈現(xiàn)的

12、正向電阻較小。一般硅管正向?qū)▔航导s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(duì)應(yīng)于圖1-12曲線的第②段，是當(dāng)二極管加反向電壓的情況。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，由于少數(shù)載流子的漂移，可以形成反向飽和電流，又由于少子的數(shù)目少，因此反向電流很小，用IS表示。,(3) 反向擊穿特性： 對(duì)應(yīng)于特性曲線的第③段。當(dāng)作用在二極管的反向電壓高

13、達(dá)某一數(shù)值后，反向電流會(huì)劇增，而使二極管失去單向?qū)щ娦裕@種現(xiàn)象稱為擊穿，所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。,二極管的反向擊穿，亦即PN結(jié)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(guān)系,為溫度電壓當(dāng)量，在室溫T=300K時(shí)，,(1-1),動(dòng)畫演示,1.2.3主要參數(shù),最大整流電流Is：指二極管在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)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(shí)的反向電流值。 4. 最高工作頻率fM：此參數(shù)主要由PN 結(jié)的結(jié)電容決定，結(jié)電容越大，二極管允許的最高工作頻率越低。,(2) 應(yīng)根據(jù)需要正確地選擇型號(hào)。,1.2.4 使用注意事項(xiàng),(1) 在電路中應(yīng)按注明的極性進(jìn)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(yīng)避免靠近發(fā)熱元件，并保證散熱良好。,(5) 對(duì)整流二極管，建議反向電壓降低20%再使用。,(6) 切勿超過手冊(cè)

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(yīng)用,1.3.1 整流,所謂整流，就是將交流電變?yōu)閱畏较蛎}動(dòng)的直流電。整流電路是二極管的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相、三相等各種形式的整流電路，然后再經(jīng)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(hào)中取出調(diào)制信號(hào)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(dòng)畫演示,1.3.3 鉗位,利用二極管正向?qū)〞r(shí)壓降很小的特性可組成鉗位電路如圖所示.若A點(diǎn)VA=0，二極管D可正向?qū)?，其壓降很小，故F點(diǎn)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?qū)ê笃鋬啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦?，可以?gòu)成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值內(nèi)。,限制輸出電壓正半周幅度的限幅電路,,限制輸出電壓負(fù)半周幅度的限幅電路,雙向限幅

17、電路,動(dòng)畫演示,1.3.5 元件保護(hù),在電子線路中，常用二極管來保護(hù)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(hù)電路,動(dòng)畫演示,當(dāng)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(shí),其兩端電壓近似為常數(shù),穩(wěn)定電壓,穩(wěn)壓二極管是應(yīng)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(shù),(1) 穩(wěn)定電壓UZ ——,(2) 動(dòng)態(tài)電阻rZ ——,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(huì)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(shí),求Uo,穩(wěn)壓二極管的正向?qū)▔航?。當(dāng),穩(wěn)壓電路,解 當(dāng),，,反向擊穿穩(wěn)壓,,，,,,正向?qū)ǎ?,,；,同理，,,,1.4.2 發(fā)光二極管,發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱LED，它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。,發(fā)光二極管的符號(hào)如圖所示。發(fā)光二極管常用于作為顯示器件，可單個(gè)使用，也可作成7段式或矩陣式，工作時(shí)加正向電壓，并接入相應(yīng)的限流電阻，工作電流一

20、般為幾毫安到幾十毫安，正向?qū)〞r(shí)的管壓降為1.8～2.2V。,,發(fā)光二極管符號(hào),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(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。,其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是在管殼上留有一個(gè)能使光線照入的窗口。其符號(hào)如圖所示。,光敏二極管符號(hào),光敏二極管的特性曲線,1.4.4 變?nèi)荻O管,用于自動(dòng)頻率控制(AFC)和調(diào)諧用的小功率二極管稱變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管符號(hào)如圖所示。通過施加反向電壓， 使其PN

21、結(jié)的靜電容量發(fā)生變化，因此，常用于自動(dòng)頻率控制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。,,變?nèi)荻O管符號(hào),,,,,1.4.5 隧道二極管,隧道二極管是因?yàn)橛煤写罅侩s質(zhì)的本征半導(dǎo)體制作PN結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極薄的耗盡層，若加正向偏壓，則在達(dá)到擴(kuò)散電位之前，由于隧道效應(yīng)而發(fā)生電流流動(dòng)。若接近擴(kuò)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(fù)的電阻。,隧道二極管的電壓電流特性,隧道二極管的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)特性好，速度快、工作頻率

22、高；缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性較差。一般應(yīng)用于某些開關(guān)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(dǎo)體接觸形成金屬-半導(dǎo)體結(jié)制作二極管。其金屬材料采用金、鉬、鎳、鈦等材料，其半導(dǎo)體材料采用硅或砷化鎵，多為N型半導(dǎo)體。,它是高頻和快速開關(guān)的理想器件，其工作頻率可達(dá)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(nèi)部為PN結(jié)，根據(jù)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(gè)端面就為正、負(fù)極。其中標(biāo)有白色豎條的一端為負(fù)極，另一端則為正極。,片式二極管的外形,1.4.8 快恢復(fù)二極管,1. 快恢復(fù)二極管的特點(diǎn),快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管不同，它不是一個(gè)單一的PN結(jié)，而是在P型與N型硅材料中間增加了一個(gè)基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅層，這種結(jié)構(gòu)的二極管，由于基

24、區(qū)很薄、反向恢復(fù)電荷很少、故使該種二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大為減少，其值一般為幾百納米以下。同時(shí)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(dá)幾千伏。,快恢復(fù)二極管(FRD)的優(yōu)點(diǎn)是反向恢復(fù)時(shí)間短、開關(guān)特性好、體積小。廣泛用于脈寬調(diào)制器、不間斷電源、開關(guān)電源、變頻調(diào)速器等電路中，作為高頻大電流整流、續(xù)流二極管應(yīng)用。,快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形如圖所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為單管和對(duì)管兩種，在對(duì)管內(nèi)部有兩只快恢復(fù)二極管，由于這兩只管子的接

25、法不同，又可分為共陰對(duì)管和共陽(yáng)對(duì)管。,快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形,2. 快恢復(fù)二極管的檢測(cè),將萬用表置于R×1k擋，測(cè)快恢復(fù)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(cè)得的阻值為∞或0，則表明被測(cè)管損壞。對(duì)管的檢測(cè)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(gè)引腳，然后再用上述方法對(duì)各個(gè)二極管進(jìn)行檢測(cè)。,3. 快恢復(fù)二極管的選用與使用,快恢復(fù)二極管廣泛應(yīng)用于不間斷電源、開關(guān)電源、交流電動(dòng)機(jī)的變頻

26、調(diào)速器、脈寬調(diào)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(shí)應(yīng)根據(jù)具體電路的要求，選擇合適參數(shù)的管子。,在選用時(shí)如果單管的參數(shù)不能滿足要求而對(duì)管能滿足要求時(shí)，則可把對(duì)管當(dāng)作單管使用。在使用對(duì)管中如有一只管子損壞，則可作單管使用。,本章小結(jié),1．半導(dǎo)體材料中有兩種載流子：電子和空穴。電子帶負(fù)電，空穴帶正電。在純凈半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，可以得到N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。2．采用一定的工藝措施，使P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起