半導體二極管介紹和其應用電路

1、半導體二極管介紹和其應用電路1.1 PN結(jié) 1.1.1 半導體的基礎知識 圖表示的是由二極管、 燈泡、 限流電阻、 開關及電源等組成的簡單電路。 電路演示如下: 按圖1.1(a)所示, 閉合開關S, 燈泡發(fā)光, 說明電路導通。 若二極管管腳調(diào)換位置, 如圖1.1(b)所示, 閉合開關S, 燈泡不發(fā)光, 由以上演示結(jié)果可知: 二極管具有單向?qū)щ娦浴?圖 1.1 半導體二極管導電性能的實驗 1半導體的特性 自然界中的各種物質(zhì),按導電能力劃分為:導體、絕緣體、半導體。半導體導電能力介于導體和絕緣體之間。它具有熱敏性、光敏性和摻雜性。利用光敏性可制成光電二極管和光電三極管及光敏電阻;利用熱敏性可制成各

2、種熱敏電阻;利用摻雜性可制成各種不同性能、不同用途的半導體器件,例如二極管、三極管、場效應管等。 2半導體的共價鍵結(jié)構(gòu) 在電子器件中,用得最多的材料是硅和鍺,硅和鍺都是四價元素,最外層原子軌道上具有4個電子,稱為價電子。每個原子的4個價電子不僅受自身原子核的束縛,而且還與周圍相鄰的4個原子發(fā)生聯(lián)系,這些價電子一方面圍繞自身的原子核運動,另一方面也時常出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。這樣,相鄰的原子就被共有的價電子聯(lián)系在一起,稱為共價鍵結(jié)構(gòu)。如圖所示。 圖1.2 硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu) 當溫度升高或受光照時,由于半導體共價鍵中的價電子并不像絕緣體中束縛得那樣緊,價電子從外界獲得一定的能量,少數(shù)價電子會掙

3、脫共價鍵的束縛,成為自由電子,同時在原來共價鍵的相應位置上留下一個空位,這個空位稱為空穴,如圖所示。 圖1.3 本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對示意圖 自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的,所以稱它們?yōu)殡娮涌昭▽?。在本征半導體中,電子與空穴的數(shù)量總是相等的。我們把在熱或光的作用下,本征半導體中產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象,稱為本征激發(fā),又稱為熱激發(fā)。 由于共價鍵中出現(xiàn)了空位,在外電場或其他能源的作用下,鄰近的價電子就可填補到這個空穴上,而在這個價電子原來的位置上又留下新的空位,以后其他價電子又可轉(zhuǎn)移到這個新的空位上,如圖所示。為了區(qū)別于自由電子的運動,我們把這種價電子的填補運動稱為空穴運動,認為空穴是一種帶正電荷的載流子

4、,它所帶電荷和電子相等, 符號相反。由此可見, 本征半導體中存在兩種載流子:電子和空穴。而金屬導體中只有一種載流子電子。本征半導體在外電場作用下,兩種載流子的運動方向相反而形成的電流方向相同,如圖所示。 圖1.4 電子與空穴的移動 圖1.5 兩種載流子在電場中的運動 3雜質(zhì)半導體 1) N型半導體 在純凈的半導體硅（或鍺）中摻入微量五價元素（如磷）后,就可成為N型半導體,如圖1.6(a)所示。在這種半導體中,自由電子數(shù)遠大于空穴數(shù),導電以電子為主,故此類半導體亦稱電子型半導體。 2) P型半導體 在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量三價元素雜質(zhì),如硼（或銦）等。硼原子只有3個價電子,它與周圍硅原子組成

5、共價鍵時,因缺少一個電子,在晶體中便產(chǎn)生一個 空穴。這個空穴與本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴都是載流子,具有導電性能。P型半導體共價鍵結(jié)構(gòu)如圖1.6(b)所示。 圖摻雜質(zhì)后的半導體(a)N型半導體； (b)P型半導體 在P型半導體中,空穴數(shù)遠遠大于自由電子數(shù),空穴為多數(shù)載流子(簡稱“多子”),自由電子為少數(shù)載流子(簡稱“少子”)。導電以空穴為主,故此類半導體又稱為空穴型半導體。 1.1.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦?1. PN 結(jié)的形成 在一塊完整的晶片上,通過一定的摻雜工藝,一邊形成P型半導體,另一邊形成N型半導體。 在交界面兩側(cè)形成一個帶異性電荷的離子層,稱為空間電荷區(qū),并產(chǎn)生內(nèi)電場,其方向是從N區(qū)指向

6、P區(qū),內(nèi)電場的建立阻礙了多數(shù)載流子的擴散運動,隨著內(nèi)電場的加強,多子的擴散運動逐步減弱,直至停止,使交界面形成一個穩(wěn)定的特殊的薄層,即PN結(jié)。因為在空間電荷區(qū)內(nèi)多數(shù)載流子已擴散到對方并復合掉了,或者說消耗盡了,因此空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。 2. PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?在PN結(jié)兩端外加電壓,稱為給PN結(jié)以偏置電壓。 1) PN結(jié)正向偏置 給PN結(jié)加正向偏置電壓,即P區(qū)接電源正極,N區(qū)接電源負極,此時稱PN結(jié)為正向偏置(簡稱正偏),如圖所示。 由于外加電源產(chǎn)生的外電場的方向與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場方向相反,削弱了內(nèi)電場,使PN結(jié)變薄,有利于兩區(qū)多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散,形成正向電流,此時PN結(jié)處于正向?qū)?/p>

7、狀態(tài)。 圖1.7 PN結(jié)加正向電壓 2) PN結(jié)反向偏置 給PN結(jié)加反向偏置電壓,即N區(qū)接電源正極,P區(qū)接電源負極,稱PN結(jié)反向偏置(簡稱反偏),如圖所示。 圖1.8 PN結(jié)加反向電壓 由于外加電場與內(nèi)電場的方向一致,因而加強了內(nèi)電場,使PN結(jié)加寬,阻礙了多子的擴散運動。在外電場的作用下,只有少數(shù)載流子形成的很微弱的電流,稱為反向電流。 應當指出,少數(shù)載流子是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的,因而PN結(jié)的反向電流受溫度影響很大。 綜上所述,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?即加正向電壓時導通,加反向電壓時截止。 1.2 半導體二極管 1.2.1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)、符號及類型 1結(jié)構(gòu)符號 二極管的結(jié)構(gòu)外形及在電路中的文字

8、符號如圖所示,在圖1.9(b)所示電路符號中,箭頭指向為正向?qū)娏鞣较?。圖1.9 二極管結(jié)構(gòu)、符號及外形舉例 (a)結(jié)構(gòu)；(b)符號；(c)外形 2類型 (1）按材料分:有硅二極管,鍺二極管和砷化鎵二極管等。 (2）按結(jié)構(gòu)分:根據(jù)PN結(jié)面積大小,有點接觸型、面接觸型二極管。 (3）按用途分:有整流、穩(wěn)壓、開關、發(fā)光、光電、變?nèi)?、阻尼等二極管。 (4）按封裝形式分:有塑封及金屬封等二極管。 (5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二極管。 1.2.2 半導體二極管的命名方法 半導體器件的型號由五個部分組成,如圖所示。其型號組成部分的符號及其意義見附錄一。如2AP9,“2”表示電極數(shù)為2,“A

9、”表示N型鍺材料,“P”表示普通管,“9”表示序號。 圖1.10 半導體器件的型號組成 1.2.3 半導體二極管的伏安特性 半導體二極管的核心是PN結(jié),它的特性就是PN結(jié)的特性單向?qū)щ娦浴３＠梅蔡匦郧€來形象地描述二極管的單向?qū)щ娦浴?若以電壓為橫坐標,電流為縱坐標,用作圖法把電壓、電流的對應值用平滑的曲線連接起來,就構(gòu)成二極管的伏安特性曲線,如圖所示（圖中虛線為鍺管的伏安特性,實線為硅管的伏安特性）。下面對二極管伏安特性曲線加以說明。 圖1.11 二極管伏安特性曲線 1. 正向特性 二極管兩端加正向電壓時,就產(chǎn)生正向電流,當正向電壓較小時,正向電流極小（幾乎為零）,這一部分稱為死區(qū),相應

10、的A(A)點的電壓稱為死區(qū)電壓或門檻電壓(也稱閾值電壓),硅管約為0.5V,鍺管約為0.1V,如圖中OA(OA)段。 當正向電壓超過門檻電壓時,正向電流就會急劇地增大,二極管呈現(xiàn)很小電阻而處于導通狀態(tài)。這時硅管的正向?qū)▔航导s為0.60.7V,鍺管約為0.20.3V,如圖中AB(AB)段。 二極管正向?qū)〞r,要特別注意它的正向電流不能超過最大值,否則將燒壞PN結(jié)。 2. 反向特性 二極管兩端加上反向電壓時,在開始很大范圍內(nèi),二極管相當于非常大的電阻,反向電流很小,且不隨反向電壓而變化。此時的電流稱之為反向飽和電流IR,見圖中OC（OC）段。 3. 反向擊穿特性 二極管反向電壓加到一定數(shù)值時,反

11、向電流急劇增大,這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。此時對應的電壓稱為反向擊穿電壓,用UBR表示,如圖中CD(CD)段。 4.溫度對特性的影響 由于二極管的核心是一個PN結(jié),它的導電性能與溫度有關,溫度升高時二極管正向特性曲線向左移動,正向壓降減小;反向特性曲線向下移動,反向電流增大。 1.2.4 半導體二極管的主要參數(shù) 1. 最大整流電流IF 2. 最大反向工作電壓 URM 3. 反向飽和電流 IR 4. 二極管的直流電阻R 5. 最高工作頻率fM 1.2.5 二極管的簡易測試 將萬用表置于R100或R1k()擋（R1擋電流太大,用R10k()擋電壓太高,都易損壞管子）。如圖所示, 圖1.12 萬用表簡易

12、測試二極管示意圖 (a)電阻??；(b)電阻大 1.2.6 二極管使用注意事項 二極管使用時，應注意以下事項： (1)二極管應按照用途、參數(shù)及使用環(huán)境選擇。 (2)使用二極管時,正、負極不可接反。通過二極管的電流,承受的反向電壓及環(huán)境溫度等都不應超過手冊中所規(guī)定的極限值。 (3)更換二極管時,應用同類型或高一級的代替。 (4)二極管的引線彎曲處距離外殼端面應不小于2mm,以免造成引線折斷或外殼破裂。1.3 整流濾波電路 1.3.1 整流電路 1. 單相半波整流電路 1）電路的組成及工作原理 圖1.14(a)所示為單相半波整流電路。 由于流過負載的電流和加在負載兩端的電壓只有半個周期的正弦波,故稱

13、半波整流。 圖1.14 單相半波整流電路及 波形圖 (a)電路圖；(b)波形圖 2）負載上的直流電壓和直流電流 直流電壓是指一個周期內(nèi)脈動電壓的平均值。即(1.1) 流過負載RL上的直流電流為(1.2) 3）整流二極管參數(shù) 由圖1.14(a)可知,流過整流二極管的平均電流IV與流過負載的電流相等,即 （1. 3） 當二極管截止時，它承受的反向峰值電壓URM是變壓器次級電壓的最大值，即（1. 4） 2單相橋式整流電路 1）電路的組成及工作原理 橋式整流電路由變壓器和四個二極管組成,如圖所示。由圖(a)可見,四個二極管接成了橋式,在四個頂點中,相同極性接在一起的一對頂點接向直流負載RL,不同極性接

14、在一起的一對頂點接向交流電源。輸出波形如圖所示。 圖單相橋式整流電路(a)電路畫法一；(b)電路畫法二；(c)電路畫法三 圖單相橋式電路的電流通路 (a)u2正半周時； (b)u2負半周時圖橋式整流電路輸出 波形圖 2）負載上的直流電壓和直流電流 由上述分析可知,橋式整流負載電壓和電流是半波 整流的兩倍。（1. 5）（1. 6） 3）整流二極管的參數(shù) 在橋式整流電路中,因為二極管V1、V3和V2、V4在電源電壓變化一周內(nèi)是輪流導通的,所以流過每個二極管的電流都等于負載電流的一半,即 橋式整流電路與半波整流電路相比,電源利用率提高了1倍,同時輸出電壓波動小,因此橋式整流電路得到了廣泛應用。電路的

15、缺點是二極管用得較多，電路連接復雜，容易出錯，為了解決這一問題，生產(chǎn)廠家常將整流二極管集成在一起構(gòu)成橋堆,內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形如圖所示。 （1. 7） 從圖可知，每個二極管在截止時承受的反向峰值電壓為（1. 8）圖橋堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形圖 (a)半橋堆；(b)全橋堆 使用一個“全橋”或連接兩個“半橋”,就可代替四只二極管與電源變壓器相連,組成橋式整流電路,非常方便。選用時,應注意橋堆的額定工作電流和允許的最高反向工作電壓應符合整流電路的要求。 1.3.2 濾波電路 常見的電路形式如圖所示。 圖1.19 各種濾波電路 1電容濾波電路 1)電路組成及工作原理 圖1.20(a)為單相半波整流電容濾波電路,它由

16、電容C和負載RL并聯(lián)組成。圖1.20 半波整流電容濾波電路及波形 其工作原理如下: 當u2的正半周開始時，若u2uC(電容兩端電壓)，整流二極管V因正向偏置而導通，電容C被充電：由于充電回路電阻很小，因而充電很快，uC和u2變化同步。當t=/2時，u2達到峰值，C兩端的電壓也近似充至 u2值。 在橋式整流電路中加電容進行濾波器與半波整流濾波電路工作原理是一樣的,不同點是在u2全周期內(nèi),電路中總有二極管導通,所以u2對電容C充電兩次,電容器向負載放電的時間縮短,輸出電壓更加平滑,平均電壓值也自然升高。這里不再贅述。橋式整流電容濾波電路及波形如圖所示。 圖橋式整流電容濾波電路及波形 (a)電路；(

17、b)波形 3) 元件選擇 (1) 電容選擇: 濾波電容C的大小取決于放電回路的時間常數(shù), RLC愈大, 輸出電壓脈動就愈小, 通常取RLC為脈動電壓中最低次諧波周期的35倍, 即 2）負載上電壓的計算（半波） （1. 9）（半波、全波） （1. 10）（橋式、全波） （1. 11）（半波） （1. 12） 4)電容濾波的特點 電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓高、脈動小。但在接通電源的瞬間,將產(chǎn)生強大的充電電流,這種電流稱為“浪涌電流”;同時,因負載電流太大,電容器放電的速度加快,會使負載電壓變得不夠平穩(wěn),所以電容濾波電路只適用于負載電流較小的場合。 (2) 整流二極管的選擇。 正向平均電流為 （

18、半波） （1. 13）（橋式） （1. 14） 2.電感濾波電路 電感線圈L和負載的串聯(lián)電路,同樣具有濾波作用,電路如圖所示。 整流濾波輸出的電壓,可以看成由直流分量和交流分量疊加而成。因電感線圈的直流電阻很小,交流電抗很大,故直流分量順利通過,交流分量將全部降到電感線圈上,這樣在負載RL得到比較平滑的直流電壓。 電感濾波電路的輸出電壓為(1.17) 圖1.22 橋式整流電感濾波電路及波形 (a)電路；(b)波形1.4 特殊二極管 前面主要討論了普通二極管,另外還有一些特殊用途的二極管,如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管等,現(xiàn)介紹如下。 1穩(wěn)壓二極管 1）穩(wěn)壓二極管的工作特性 穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管,它的特性曲線和符號如圖所示。 圖穩(wěn)壓二極管的特性曲線和符號 (a)伏安特性曲線；(b)符號 2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) (1)穩(wěn)定電壓UZ。 穩(wěn)定電壓UZ即反向擊穿電壓。 (2)穩(wěn)定電流IZ。 穩(wěn)定電流IZ是指穩(wěn)壓管工作至穩(wěn)壓狀態(tài)時流過的電流。當穩(wěn)壓管穩(wěn)