半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

1、半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路,主要內(nèi)容：1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 1.2 半導(dǎo)體二極管 1.3 特殊二極管 1.4 半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用 1.5 小結(jié),1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.1.2 PN結(jié),1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,自然界中的各種物質(zhì)按其導(dǎo)電性能的不同可劃分為：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間. 常見的半導(dǎo)體材料是硅(Si)和鍺(G

2、e),它們都是+4價(jià)元素. 硅的熱穩(wěn)定性比鍺好.,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,一、半導(dǎo)體的特點(diǎn) 1.熱敏性 2.光敏性 3.摻雜性 溫度、光照、是否摻入雜質(zhì)元素這三方面對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能強(qiáng)弱影響很大。當(dāng)半導(dǎo)體溫度升高、光照加強(qiáng)、摻入雜質(zhì)元素，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,二、本征半導(dǎo)體 半導(dǎo)體按其是否摻入雜質(zhì)來(lái)劃分，又可分為：本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。

3、 完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。 在絕對(duì)0K（-273oC），本征半導(dǎo)體基本不導(dǎo)電。,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,（1）本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價(jià)鍵 共價(jià)鍵內(nèi)的兩個(gè)電子由相鄰的原子各用一個(gè)價(jià)電子組成，稱為束縛電子。,,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,（2）本征激發(fā)現(xiàn)象 當(dāng)溫度升高或受光照射時(shí)，共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得足夠能量，從共價(jià)鍵中掙脫出來(lái)，變成自由電子；同時(shí)在原共價(jià)鍵的相

4、應(yīng)位置上留下一個(gè)空位，這個(gè)空位稱為空穴,電子-空穴對(duì)就形成了.,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,在外電場(chǎng)或其他能源的作用下，鄰近的價(jià)電子和空穴產(chǎn)生相對(duì)的填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。這樣，電子和空穴就產(chǎn)生了相對(duì)移動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)方向相反，而形成的電流方向是一致的。 由此可見，本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：自由電子和空穴，而導(dǎo)體中只有一種載流子：自由電子，這是半導(dǎo)體與導(dǎo)體的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別。,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,三、雜質(zhì)半導(dǎo)體 在

5、本征半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，可使其導(dǎo)電性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類：電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體。 （1） P型半導(dǎo)體--摻入微量的三價(jià)元素（如硼）,,,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,因此,+3價(jià)元素原子獲得一個(gè)電子,成為一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)離子，而半導(dǎo)體仍然呈現(xiàn)電中性。 P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：多數(shù)載流子為空穴；少數(shù)載流子為自由電子。,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,（2） N型半導(dǎo)體--摻入

6、微量的五價(jià)元素(如磷) N型半導(dǎo)體: 多子-自由電子 少子-空穴,1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,注意：雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的濃度與摻雜濃度有關(guān)；而少數(shù)載流子是因本征激發(fā)產(chǎn)生，因而其濃度與摻雜無(wú)關(guān)，只與溫度等激發(fā)因素有關(guān).,1.1.2 PN結(jié),一．P

7、N結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體的兩邊,分別形成P型和N型半導(dǎo)體,在兩種載流子交界處會(huì)出現(xiàn)載流子的相對(duì)運(yùn)動(dòng). 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)-多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運(yùn)動(dòng).,1.1.2 PN結(jié),擴(kuò)散的結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)原來(lái)的電中性被破壞，在交界面靠近P區(qū)一側(cè)留下了不能移動(dòng)的負(fù)離子，靠近N區(qū)一側(cè)留下了等量的正離子。P區(qū)和N區(qū)交界面兩側(cè)形成的正、負(fù)離子薄層，稱為空間電荷區(qū),其中無(wú)載流子。由于空間電荷區(qū)的出現(xiàn)，建立了PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)。

8、 漂移運(yùn)動(dòng)-內(nèi)電場(chǎng)的作用使載流子發(fā)生的運(yùn)動(dòng).,1.1.2 PN結(jié),當(dāng)擴(kuò)散和漂移兩種相反作用的運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，形成的穩(wěn)定空間電荷區(qū)就叫做PN結(jié)。,1.1.2 PN結(jié),二．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?（1）外加正向電壓—正偏 當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓，即P區(qū)接電源正極(高電位)，N區(qū)接電源負(fù)極(低電位)。此時(shí)，稱PN結(jié)加正向偏置電壓，簡(jiǎn)稱“正偏”.,變薄,1.1.2 PN結(jié),正偏時(shí)由于PN結(jié)變薄,空間電荷區(qū)消失(外加電場(chǎng)足夠大

9、),能導(dǎo)電的區(qū)域增大,因此,PN結(jié)呈現(xiàn)出的正向電阻小,流過(guò)的正向電流大. 因此, PN結(jié)正偏導(dǎo)通.,1.1.2 PN結(jié),（2）外加反向電壓—反偏 當(dāng)PN結(jié)加上反向電壓，即P區(qū)接電源負(fù)極(低電位)，N區(qū)接電源正極(高電位)。此時(shí)，稱PN結(jié)加反向偏置電壓，簡(jiǎn)稱“反偏”.,1.1.2 PN結(jié),反偏時(shí)由于PN結(jié)變厚, 不能導(dǎo)電的區(qū)域增大,因此,PN結(jié)呈現(xiàn)出的反向電阻很大,流過(guò)的反向電流很小,基本為0.

10、 因此, PN結(jié)反偏截止. ※PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 正偏導(dǎo)通,反偏截止,1.1.2 PN結(jié),三.PN結(jié)的反向擊穿特性 反向擊穿:當(dāng)PN結(jié)的反偏電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增大的現(xiàn)象。 PN結(jié)的擊穿現(xiàn)象有下列兩類： (1) 熱擊穿:不可逆,應(yīng)避免 (2) 電擊穿:可逆,又分為雪崩擊穿和齊納 擊穿.,1.1.2 PN結(jié),(1)雪崩擊穿

11、當(dāng)反向電壓足夠高時(shí)（一般U>6V）PN結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)較強(qiáng)，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價(jià)電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。這種形式的擊穿稱為雪崩擊穿.,1.1.2 PN結(jié),(2)齊納擊穿 對(duì)摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的 耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓 （U<4V），耗盡層可獲得很大的場(chǎng)強(qiáng)， 足以將價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉

12、出來(lái)，而獲 得更多的電子空穴對(duì)，使反向電流驟增。,1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)小結(jié),①本征半導(dǎo)體中，電子與空穴總是成對(duì)出現(xiàn)。 ②雜質(zhì)半導(dǎo)體有：P型和N型。P型半導(dǎo)體中，多子是空穴，少子是電子；N型半導(dǎo)體中，多子是電子，少子是空穴。 ③在P型和N型半導(dǎo)體交界處形成的空間電荷區(qū)就是PN結(jié),其主要特性是單向?qū)щ娦浴珜?dǎo)通,反偏截止.,1.2 半導(dǎo)體二極管,1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)及其在電路中的代表符號(hào)1.2.2 二極管的伏

13、安特性曲線1.2.3 二極管的主要參數(shù)1.2.4 二極管的命名1.2.5 二極管的判別,1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào),※二極管本質(zhì)上就是一個(gè)PN結(jié). 它在電路中的代表符號(hào)和PN結(jié)是 相同的: P極 N極 P極又稱為陽(yáng)極、正極 N極又稱為陰極、負(fù)極,1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào),根據(jù)制造結(jié)構(gòu)不同,常見的二極管有點(diǎn)接觸

14、型, 面接觸型和平面型.,(a)點(diǎn)接觸型,(b)面接觸型,(c)平面型,1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào),另外,按材料不同可分為：鍺二極管、硅二極管。其中，硅二極管的熱穩(wěn)定性比鍺二極管的熱穩(wěn)定性要好的多。 按用途不同可分為：普通二極管、整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、光電二極管等。,1.2.2二極管的V-I特性,伏安特性是指二極管兩端的電壓u與流過(guò)二極管電流i的關(guān)系。 一．正向特性 指二極管正

15、偏時(shí)的V-I特性,如圖中紅色曲線所示。,1.2.2二極管的V-I特性,正向特點(diǎn):①正向電壓較小時(shí),不足以使二極管導(dǎo)通, i=0,此時(shí)的V-I曲線對(duì)應(yīng)區(qū)域稱為死區(qū) ②正向電壓逐漸增大,二極管開始導(dǎo)通,此時(shí)的電壓成為門坎電壓Uth 硅管Uth=0.5V 鍺管Uth=0.1V ③當(dāng)正向電壓繼續(xù)增大,二極管完全導(dǎo)通.導(dǎo)通后兩端電壓基本為定值,稱為二極管的正向?qū)▔航礦D 硅管VD=0.7V 鍺管VD=0.3

16、V,1.2.2二極管的V-I特性,二．反向特性 指二極管反偏時(shí)的V-I特性,如圖中綠色曲線所示。 二極管外加反向電壓時(shí)，反向電流很?。↖≈-IS），而且在相當(dāng)寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流。,1.2.2二極管的V-I特性,三．二極管的等效電路模型 （1）理想電路模型 反偏時(shí)，反向電流近似為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開（開路). - u + 正偏時(shí)，其管壓降

17、為0.7V，忽略后相當(dāng)于開關(guān)閉合（短路）. + u -,,1.2.2二極管的V-I特性,（2）恒壓降模型 反偏時(shí)，反向電流近似為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開（開路). - u + 正偏時(shí)，管壓降為VD不做忽略,正向電阻小近似為0,相當(dāng)于一個(gè)大小為VD,方向從P到N的電壓源. + u - + VD -,1.2.3二極管的主要參數(shù),器件的參數(shù)是對(duì)其特性的

18、定量描述,是正確使用和合理選擇器件的依據(jù).一、二極管的直流參數(shù)（1）最大整流電流IFM （2）最高反向工作電壓URM （3）反向電流IR （4）直流電阻RD,1.2.3二極管的主要參數(shù),二、二極管的交流參數(shù)（1）交流電阻rd 交流電阻rd是工作點(diǎn)Q附近電壓與電流的變化量之比，即 ：,1.2.3二極管的主要參數(shù),（2）結(jié)電容Cj PN結(jié)的結(jié)電容Cj由兩部分組成：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。 ①勢(shì)壘電容C

19、B 勢(shì)壘電容的影響主要表現(xiàn)在反向偏置狀態(tài)時(shí)。 ②擴(kuò)散電容CD 該等效電容是由載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)隨外電壓的變化引起的.,1.2.3二極管的主要參數(shù),（3）最高工作頻率fM 二極管的最高工作頻率fM主要由結(jié)電容的大小來(lái)決定。 若工作頻率超過(guò)了最高工作頻率fM，則二極管的單向?qū)щ娦宰儔摹?1.2.4二極管的命名,我國(guó)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體器件的命名方法采用國(guó)家GB249-74標(biāo)準(zhǔn)。,1.

20、2.4二極管的命名,,1.2.5二極管的檢測(cè)與判別,一、判別方法： 識(shí)別法：通過(guò)二極管管殼上的符號(hào)、標(biāo)志來(lái)識(shí)別.例如有標(biāo)記的一端一般為N極. 檢測(cè)法：用萬(wàn)用表的歐姆檔，量程為R×100Ω或R×1kΩ檔測(cè)量其正反向電阻 （一般不用R×1Ω檔，因?yàn)殡娏魈螅欢鳵×10kΩ檔的電壓太高，管子有被擊穿的危險(xiǎn)）.,1.2.5二極管的檢測(cè)與判別,1.2.5二極管的檢測(cè)與判別,二、檢測(cè)法判別步驟

21、（1）二極管好壞的判別 若測(cè)得的反向電阻很大（幾百千歐以上），正向電阻很小（幾千歐以下），表明二極管性能良好。 若測(cè)得的反向電阻和正向電阻都很小，表明二極管短路，已損壞。 若測(cè)得的反向電阻和正向電阻都很大，表明二極管斷路，已損壞。,1.2.5二極管的檢測(cè)與判別,（2）二極管正、負(fù)極性的判斷 將萬(wàn)用表紅、黑表筆分別接二極管的兩個(gè)電極，若測(cè)得的電阻值很?。◣浊W以下），則黑表筆所接電極為二極管正極，紅表筆

22、所接電極為二極管的負(fù)極；若測(cè)得的阻值很大（幾百千歐以上），則黑表筆所接電極為二極管負(fù)極，紅表筆所接電極為二極管的正極。,1.3 特殊二極管,1.3.1 硅穩(wěn)壓二極管1.3.2 光電二極管和光電池1.3.3 發(fā)光二極管,1.3.1 硅穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管是一種特殊工藝制造的結(jié)面型硅二極管,通常工作在反向擊穿狀態(tài). 一、V-I特性和符號(hào),1.3.1 硅穩(wěn)壓二極管,二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）最小穩(wěn)定電流

23、IZmin（3）最大穩(wěn)定電流IZmax（4）額定功耗PZ（5）動(dòng)態(tài)電阻rZ（6）溫度系數(shù)αz,1.3.1 硅穩(wěn)壓二極管,三、穩(wěn)壓管的應(yīng)用 常用的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路:,如:ui↑→uo↑→IZ↑→I↑（= IZ+IL）→uR↑ →uo（=ui－uR）基本不變同理，當(dāng)ui一定， RL發(fā)生變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓仍然基本保持不變,從而起到穩(wěn)壓作用.,1.3.2光電二極管和光電池,一、光電二極管 光電二極管又稱

24、光敏二極管，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).它工作在反偏狀態(tài), 反向電流與照度成正比.,1.3.2光電二極管和光電池,,光電二極管的簡(jiǎn)單使用,1.3.2光電二極管和光電池,二、光電池 硅光電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，又叫太陽(yáng)能電池。,光電池控制電路,當(dāng)光電池PC1、PC2受到光照射而產(chǎn)生電勢(shì)時(shí)，單向晶閘管SK導(dǎo)通，若開關(guān)K1合，則此時(shí)便有9V直流電壓加于負(fù)載上。,1.3.3 發(fā)光二極管,一、發(fā)光二極管

25、 發(fā)光二極管LED是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管,常用作顯示器件。,發(fā)光二極管的代表符號(hào),1.3.3 發(fā)光二極管,,發(fā)光二極管應(yīng)用電路（一 ）,1.3.3 發(fā)光二極管,,發(fā)光二極管應(yīng)用電路（二 ）,1.4 半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用,1.4.1 整流電路1.4.2 檢波電路1.4.3 限幅電路1.4.4 鉗位電路,1.4.1 整流電路,將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)直流電的過(guò)程稱為整流。,二極管半波整流電路,1.4.2 檢

26、波電路,在接收機(jī)中，將低頻信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)中檢取出來(lái)的過(guò)程，稱為檢波.基本工作原理就是利用二極管的單向?qū)щ娦院碗娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔兊奶匦浴?1.4.3 限幅電路,將輸出電壓的電平限制在預(yù)置的電平范圍內(nèi)，用于限制輸入信號(hào)的峰值，有選擇地傳輸一部分電壓的電路，稱為限幅電路.,二極管限幅電路,1.4.4 鉗位電路,將輸入信號(hào)的頂部或底部鉗位于某一直流電平上的電路，稱為鉗位電路.,二極管鉗位電路,1.5 小結(jié),一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

27、1.常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺等。本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)是電導(dǎo)率低，具有熱敏性、光敏性、摻雜性等。而且摻雜性對(duì)導(dǎo)電性能影響很大。2.半導(dǎo)體的載流子有兩種：自由電子和空穴，自由電子帶負(fù)電，空穴帶正電。,1.5 小結(jié),3.雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點(diǎn)是電導(dǎo)率高。 雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種類型：N型半導(dǎo)體的多子是自由電子，少子是空穴；P型半導(dǎo)體的多子是空穴，少子是自由電子。4.多子的濃度與摻雜濃度有關(guān)，少子的濃度與溫度等激發(fā)因素有關(guān)。5.PN結(jié)具有單向?qū)щ?/p>

28、性，它是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。,1.5 小結(jié),二、二極管的基本特性1.二極管的特點(diǎn)是：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦浴?.二極管的伏安特性是非線性關(guān)系。3.二極管的參數(shù)主要包括：性能參數(shù)和極限參數(shù)。極限參數(shù)主要有：最高工作頻率、最大允許反向工作電壓、最大允許電流和額定耗散功率等。,1.5 小結(jié),三、二極管的應(yīng)用1.二極管的應(yīng)用主要是利用了二極管的單向?qū)щ娦?，是整流、檢波、限幅、鉗位等應(yīng)用中的主要器件。2. 判斷二極管在電路是否導(dǎo)通的判斷方法是