最新-第一章二極管及其應(yīng)用-PPT課件

1、模擬電子技術(shù)歡迎大家主 講: 黃 金 萍E-Maill 153082386qq電 話:一章 半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)習(xí)要點(diǎn)半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體二極管的特性及參數(shù)半導(dǎo)體二極管模型特殊二極管二極管的應(yīng)用二極管的檢測(cè)方法珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院一、半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.什么是半導(dǎo)體 物質(zhì)按導(dǎo)電能力強(qiáng)弱不同可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類物質(zhì)目前制造半導(dǎo)體器件用得最多的是硅和鍺兩種材料 1.1 半導(dǎo)體二極管2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性（1）熱敏特性 （2）光敏特性 （3）摻雜特性 珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院半導(dǎo)體材料具有以下一些獨(dú)

2、特的導(dǎo)電特性：（1） 雜敏性 在純凈的半導(dǎo)體材料中摻入某種微量的元素(如硼和磷等)后，其導(dǎo)電能力將猛增幾萬(wàn)倍甚至百萬(wàn)倍。 （2）光敏性有的半導(dǎo)體材料在無(wú)光照時(shí)電阻率很高，而一旦受到光線照射后電阻率即顯著下降。（3） 熱敏性 所謂熱敏性是指半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高(例如受熱輻射)而顯著增大的特性，即溫度升高其導(dǎo)電能力大大加強(qiáng)。溫度對(duì)半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能影響很大。 3、 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體 圖1-1 原子結(jié)構(gòu)示意圖 (a)硅 (b)鍺 圖1-2 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體中的兩種載流子電子和空穴載流子可以自由移動(dòng)的帶電粒子。電導(dǎo)率與材料單位體積中所含載流子數(shù)

3、 有關(guān)，載流子濃度越高，電導(dǎo)率越高。電子空穴對(duì) 當(dāng)T=0K和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有栽流子，不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子本證激發(fā)。 自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，這個(gè)空位為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。本征激發(fā)動(dòng)畫1-1空穴返回4、 雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4（1）N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)的元素(磷、砷、銻 )多余電子，成為自由電子+5自

4、由電子 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。返回+5N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 空穴+N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對(duì)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3（2） P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的元素（硼）+3空穴空穴返回 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子 空穴少數(shù)載流子自由電子P型半導(dǎo)體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+N型半導(dǎo)體多子電子少子空穴P型半導(dǎo)體多子空

5、穴少子電子少子濃度與溫度有關(guān)多子濃度與溫度無(wú)關(guān)5. PN結(jié)的形成 圖 1-5 載流子的擴(kuò)散 圖 1-6 PN 結(jié)的形成6. PN結(jié)的單向?qū)щ娦詀) b)圖1-2 PN結(jié)單向?qū)щ娦詫?shí)驗(yàn)電路a)PN結(jié)加正向電壓 b) PN結(jié)加反向電壓PN結(jié)電阻很小PN結(jié)電阻很大發(fā)光不發(fā)光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正向電流 (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 RPN

6、 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(wú)關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。 結(jié)論:PN結(jié)加正向電壓“正向偏置” ，簡(jiǎn)稱“正偏”P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極PN結(jié)電阻很小，正向?qū)ǎ?）PN結(jié)加反向電壓“反向偏置” ，簡(jiǎn)稱“反偏”P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極PN結(jié)電阻很大，反向截止二、半導(dǎo)體二極管1.二極管的結(jié)構(gòu)、圖形符號(hào)和型號(hào)（1）結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)管殼PN結(jié) a) b)圖1-3 二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)a)結(jié)構(gòu) b)圖形符號(hào)圖1-4 幾種常見二極管的外形 二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型二大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小

7、，用于檢波和變頻等高頻電路。(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)三、二極管的伏安特性 加在二極管兩端的電壓與通過(guò)二極管電流之間的關(guān)系稱為二極管的伏安特性 ，可用曲線表示。圖1-5 二極管的伏安特性（1）正向特性指二極管加正向電壓（二極管正極接高電位，負(fù)極接低電位）時(shí)的特性。 當(dāng)正向電壓小于某一數(shù)值（該電壓稱為“死區(qū)電壓”或“門坎電壓”，硅管為0.5V，鍺管為0.2V）時(shí)，通過(guò)二極管的電流很小幾乎為零。當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓時(shí)，電流隨電壓的升高而明顯的增加，此時(shí)二極管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。二極管導(dǎo)通后二極管兩端的電壓幾乎不隨電流的大小而變化，此時(shí)二極管兩端電壓稱為

8、導(dǎo)通管壓降，用UT表示，硅管為0.7V，鍺管為0.3V。 二極管加正向電壓時(shí)并不一定能導(dǎo)通，必須是正向電壓達(dá)到和超過(guò)死區(qū)電壓時(shí)，二極管才能導(dǎo)通。 注意：（2）反向特性二極管加反向電壓（二極管正極接低電位，負(fù)極接高電位）時(shí)的特性。 當(dāng)反向電壓小于某值（此電壓稱為反向擊穿電壓UBR）時(shí)反向電流很小，并且?guī)缀醪浑S反向電壓而變化，該反向電流叫“反向飽和電流”，簡(jiǎn)稱“反向電流”，用IR表示。通常硅管的反向電流在幾十微安以下，鍺管的反向電流可達(dá)幾百微安。在應(yīng)用時(shí)反向電流越小，二極管的質(zhì)量越好。 當(dāng)反向電壓增加到反向擊穿電壓UBR時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為“反向擊穿”。反向擊穿破壞了二極管的單向?qū)щ?/p>

9、性，如果沒(méi)有限流措施，二極管可能因電流過(guò)大而損壞。注意： 二極管加反向電壓時(shí)不能導(dǎo)通，但反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓（很高的反向電壓）時(shí)，二極管會(huì)反向擊穿。 在使用二極管時(shí)，電路中應(yīng)該串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?，以免因電流過(guò)大而損壞二極管。二極管的伏安特性方程：式中：為反向飽和電流，為二極管兩端的電壓為溫度的電壓當(dāng)量,當(dāng)T=300K時(shí),=26mV(1)正向特性 (2)反向特性 表1-1 二極管的型號(hào)各組成部分的含義第一部分（數(shù)字）第二部分(拼音)第三部分(拼音)第四部分(數(shù)字)第五部分(拼音)電極數(shù)材料和極性類型序號(hào)規(guī)格號(hào)（表示反向峰值電壓的檔次）符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義2二極管AN型鍺材料P普通管BP型

10、鍺材料W穩(wěn)壓管CN型硅材料Z整流管DP型硅材料U光電管K開關(guān)管C參量管L整流堆S隧道管例如2AP7表示N型鍺普通二極管，2DZ56C表示P型硅整流二極管，規(guī)格號(hào)為C。四、二極管的使用常識(shí)1、二極管的型號(hào)半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge， C為N型Si， D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。 2、二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流 IF 在規(guī)定散熱條件下，二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大正向平均電流。由 PN 結(jié)的面積和散熱條件

11、決定，如果電流超過(guò)這個(gè)值，很可能燒壞二極管。 （2）最高反向工作電壓 URM 二極管工作時(shí)允許加的最大反向電壓。為確保管子安全運(yùn)行，通常規(guī)定URM約為擊穿電壓UBR的一半。 半導(dǎo)體二極管的VA特性曲線 硅：0.5 V 鍺： 0.1 V(1) 正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2) 反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實(shí)驗(yàn)曲線uEiVmAuEiVuA鍺 硅：0.7 V 鍺：0.3V 在規(guī)定的環(huán)境溫度下，二極管加上最大反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流越小，管子的單向?qū)щ娦阅茉胶?。反向電?IR是由少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)形成的，因此，它受溫度的影響較大。 （4） 最高工作頻率 是二極管工作的上限頻率。它主要由PN結(jié)

12、的結(jié)電容大小決定。信號(hào)頻率超過(guò)此值時(shí)，二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。?yīng)該指出，由于制造工藝的限制，即使是同一型號(hào)的器件，其參數(shù)的離散性也很大，因此，手冊(cè)上常常給出參數(shù)的范圍。另一方面，器件手冊(cè)上給出的參數(shù)是在一定測(cè)試條件下測(cè)得的，若條件改變，相應(yīng)的參數(shù)值也會(huì)變化。（3） 最大反向電流 IR3、二極管的直流電阻和交流電阻 （1）直流電阻RD（2）交流電阻rd由PN結(jié)方程也可求 4、二極管的測(cè)試： 用指針型萬(wàn)用表測(cè)試二極管 指針型萬(wàn)用表的紅表筆是連接到萬(wàn)用表內(nèi)置電池的負(fù)極、黑表筆連接到電池的正極。兩次測(cè)得的阻值應(yīng)相差極大，如下圖所示。a)正向?qū)?b)反向截止圖1-5 指針型萬(wàn)用表測(cè)試二極管若兩次測(cè)得

13、的阻值均很小或?yàn)?，表明管子內(nèi)部已經(jīng)短路；若兩次測(cè)得的阻值都極大，則表明管子內(nèi)部已經(jīng)斷路或燒壞；若測(cè)得的反向電阻與正向電阻相差不大，則說(shuō)明管子的反向漏電過(guò)大，失去了單向?qū)щ娦浴?選用二極管的一般原則是：(1) 要求導(dǎo)通后正向壓降小時(shí)應(yīng)選擇鍺管；要求反向電流小時(shí)應(yīng)選硅管。(2) 要求工作電流大時(shí)選面接觸型；要求工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型。(3)要求反向擊穿電壓高時(shí)選硅管。(4)要求耐高溫時(shí)選硅管。1.2 半導(dǎo)體二極管的模型半導(dǎo)體二極管是一種非線性器件 1. 理想二極管模型 (a)伏安特性曲線 (b)代表符號(hào)(c)正向偏置時(shí)的電路模型 (d)反向偏置時(shí)的電路模型圖1-13 理想模型例1.1 電路如圖1

14、-14所示。三只性能相同的二極管 D1、D2、D3和三只220V，40W 的燈泡 L1、L2、L3互相連接后，接入220V的交流電壓u后。試分析哪只(或哪些)燈泡發(fā)光最亮？哪只(或哪些)二極管承受的反向電壓峰值最大？ 分析：二極管導(dǎo)通時(shí)，正向電壓降很小，與之并聯(lián)的燈泡幾乎被短路，不會(huì)發(fā)光；二極管截止時(shí)，與承受反向電壓峰值最大的二極管相并聯(lián)的那些燈泡發(fā)光才最亮。解：當(dāng)交流電壓u為正半周時(shí)，D2正向偏置，D1與 D3反向偏置，各承受約u/2的反向電壓，峰值為110V。當(dāng)u為負(fù)半周時(shí)，只有 D2一只二極管反向偏置，要承受的反向電壓峰值約為220V。故L2發(fā)光最亮，D2承受的反向電壓峰值最大。 圖1-

15、14 例1.1電路一 整流電路 1 、 作用:把交流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電. 半波整流 2、分類: 全波整流 橋式整流 倍壓整流1.3 半導(dǎo)體二極的應(yīng)用1、 單相半波整流電路 單相半波整流電路如圖(a)所示波形圖如圖（b)所示。(a)電路圖 (b)波形圖 單相半波整流電路 根據(jù)圖10.1.1可知，輸出電壓在一個(gè)工頻周期內(nèi)，只是正半周導(dǎo)電，在負(fù)載上得到的是半個(gè)正弦波。負(fù)載上輸出平均電壓為流過(guò)負(fù)載和二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓 2、橋式整流電路（1）組成：由四個(gè)二極管組成橋路u2正半周時(shí):D1 、D3導(dǎo)通， D2、D4截止+（2）工作原理：u2uL-+u2負(fù)半周時(shí)：D2、D4 導(dǎo)通，

16、D1 、D3截止u2uL輸出電壓平均值：Uo=0.9u2輸出電流平均值:Io= Uo/Ro=0.9 u2 / RL 流過(guò)二極管的平均電流：ID=Io/2u2uL（3）主要參數(shù)：二極管承受的最大反向電壓：URM=22u集成硅整流橋：u2uL+ +- +io + uo= uc RLV1V4V3V2+u二 濾波電路電容濾波V 導(dǎo)通時(shí)給 C 充電，V 截止時(shí) C 向 RL 放電；1. 電路和工作原理濾波后 uo 的波形變得平緩，平均值提高。電容充電電容放電C電容濾波電路2. 波形及輸出電壓當(dāng) RL = 時(shí)：OtuO2當(dāng) RL 為有限值時(shí)：通常取 UO = 1.2U2RC 越大 UO 越大RL = 為獲

17、得良好濾波效果，一般?。?T 為輸入交流電壓的周期) 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(shí)間常數(shù), RLC愈大, 輸出電壓脈動(dòng)就愈小, 通常取RLC為脈動(dòng)電壓中最低次諧波周期的35倍, 即（橋式、全波） （半波） (2) 整流二極管的選擇。 正向平均電流為 例： 單相橋式電容濾波整流，交流電源頻率 f = 50 Hz，負(fù)載電阻 RL = 40 ，要求直流輸出電壓 UO = 20 V，選擇整流二極管及濾波電容。 解1. 選二極管選二極管應(yīng)滿足：IF (2 3) ID可選：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流橋電流平均值：

18、承受最高反壓：2. 選濾波電容可選： 1 000 F，耐壓 50 V 的電解電容。分析題：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娙轂V波電路，已知變壓器付邊電壓為20V，負(fù)載RL為10K，（1）當(dāng)電路正常時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)得電路的輸出電壓應(yīng)為多少？（2）若用萬(wàn)用表測(cè)得電壓為28V，則電路故障何在？（3）若用萬(wàn)用表測(cè)得電壓為18V，則電路故障何在？（4）若用萬(wàn)用表測(cè)得電壓為20V，則電路故障何在？（4）若用萬(wàn)用表測(cè)得電壓為9V，則電路故障何在？（5）若測(cè)得負(fù)載上的電壓為0，如何分析？1.4特殊二極管 穩(wěn)壓管變?nèi)荻O管光電二極管發(fā)光二極管激光二極管1.4.1 穩(wěn)壓管一、硅穩(wěn)壓管及其伏安特性符號(hào)工作條件： 反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性

19、a k特性IUOUZIZminIZMUZIZ IZ+ +特點(diǎn)：* 正向特性與普通二極相同* 反向擊穿特性較陡* 反向擊穿電壓 幾 幾十V， 在允許范圍內(nèi)為電擊穿二、主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓 UZ 流過(guò)規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好， 小于 Imin 時(shí)不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 動(dòng)態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。幾 幾十 IUOUZIZminIZMUZIZ IZ5. 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CT一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4 V UZ 7 V，CTV 很小。表1.4.1 幾種硅半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 參數(shù)型號(hào)UZ / VIZ / mAIZM / mArZ / CTV/ (%/C)PZM/ W2CW552CW712DW7A*6.2 7.535 405.8 6.61031033630 15 100 25 0.06 0.10 0.050.250.250.25具有溫度補(bǔ)償?shù)?DW系列123正溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)2DW1 2 3對(duì)應(yīng)正極三、使用穩(wěn)壓管注意事項(xiàng)必須工作