二極管及其應用電路

1、半導體二極管及其應用電路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（當守外界熱和光的作用時，它的導電能力明 顯變化）和摻雜性（往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯變化）。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。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錯，硅和錯都是四價元素，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

2、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)。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，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的,所以稱 它們?yōu)殡娮涌昭▽ΑＴ诒菊靼雽w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

3、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。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，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一一電子。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。本征半導體的導電能力取決于 載流子的濃度。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度時 影響半導體性能的一個重要的外部因素。雜質(zhì)半導體

4、1）N型半導體（電子半導體）：在純凈的半導體硅（或錯）中摻入微量五價元素（如 磷）后，就可成為N型半導體。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（空穴半導體）：在硅（或錯）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。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。空穴得

5、到電子帶正 電。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。4.2. PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦栽赑N結(jié)兩端外加電壓,稱為給PN結(jié)以偏置電壓。4.2.1） PN結(jié)正向偏置：給PN結(jié)加正向偏置

6、電壓，即P區(qū)（空穴）接電源正極,N區(qū)（電子）接電源負極,此時稱PN結(jié)為正向偏置（簡稱正偏），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)?方擴散，形成正向電流，此時PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。4 .2.2） PN 結(jié) 反 向 偏 置給P 變厚 * NII電子 ：000：O0011I（少數(shù)）;0OO;OOO、0 空穴* ：000：eoo （少數(shù)）p Y N內(nèi)電場P N 外電場IIIPN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），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，

7、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。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。正偏時是多 數(shù)載流子載流導電，反偏時是少數(shù)載流子載流導電。所以，正偏電流大，反偏電流小，PN 結(jié)顯示出單向電性。特別是要重點說明，反偏時少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)是很容易的， 甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)還要容易。為什么呢？大家知道PN結(jié)內(nèi)部存在有 一個因多數(shù)載流子相互擴散而產(chǎn)生的內(nèi)電場，而內(nèi)電場的作用方向（NP）總是阻礙多數(shù) 載流子的正向通過，所以，多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)時就需要克服內(nèi)電場的作用，需要 約0.7伏的外加電壓，這是

8、PN結(jié)正向?qū)ǖ拈T電壓。而反偏時，內(nèi)電場在電源作用下會被 加強也就是PN結(jié)加厚，少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)時，內(nèi)電場作用方向和少數(shù)載流子通過 PN結(jié)的方向一致，也就是說此時的內(nèi)電場對于少數(shù)載流子的反向通過不僅不會有阻礙作 用，甚至還會有幫助作用。這就導致了以上我們所說的結(jié)論：反偏時少數(shù)載流子反向通過 PN結(jié)是很容易的，甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)還要容易。這個結(jié)論可以很好 解釋三極管在飽和狀態(tài)下，集電極電位很低甚至會接近或稍低于基極電位，集電結(jié)處于零 偏置，但仍然會有較大的集電結(jié)的反向電流Ic產(chǎn)生。半導體二極管的結(jié)構(gòu)、符號及類型5.1 .結(jié)構(gòu)符號：二極管的結(jié)構(gòu)外形及在電路中的文字符號如圖

9、5.1所示，在圖5.1（b）所 示電路符號中，箭頭指向為正向?qū)娏鞣较颉?.2 .類型5.2.1 ）按材料分:有硅二極管，錯二極管和砷化鎵二極管等。5.2.2）按結(jié)構(gòu)分:根據(jù)PN結(jié)面積大小，有點接觸型（PN結(jié)面積小，用于檢波 和變頻等高頻電路）、面接觸型二極管（PN結(jié)面積大，用于工頻大電流 整流電路）、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電路中）。5.2.3）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。5.2.4）按封裝形式分:有塑封及金屬封等二極管5.2.5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二極管半導體二極管的命名方法半導體器

10、件的型號由五個部分組成，如圖5.3所示。其型號組成部分的符號及其意 義如圖。如2AP9,“2”表示電極數(shù)為2,“A”表示N型錯材料,“P”表示普通管,“9”表示序號。用字母表示規(guī)格號用數(shù)字表示序號用字母表示類型,用字母表示材料和極性用數(shù)字表示電極數(shù)目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＠?伏（電壓）安（電流）特性曲線來形象地描述二極管的單向?qū)щ娦?。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5.4所示（圖中虛線為錯管的伏安特性，實線為硅 管的伏安特性）。正向?qū)▍^(qū)：門喝

11、電 壓（硅管0 5,信管0 11Hh OA（OA ）段C點為反向擊 客電壓UBR反向截止區(qū)，門岬電壓，15I v 壬 o 即：CA （CA1 :段硅管的正向?qū)▔航导s,I心d ir反向擊穿區(qū)：反向電壓Uv加到一定數(shù)傳時，反向電流急劇增大，即，CD CCDT ）段圖7.0下面對二極管伏安特性曲線加以說明。7.1.正向特性二極管兩端加正向電壓時（P區(qū)接正，N區(qū)接負），就產(chǎn)生正向電流，當正向電壓較小時,正向電流極?。◣缀鯙榱悖?，這一部分稱為死區(qū)如圖5.4中OA（OA，）段。相應的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,錯管約為0.1V。當正向電壓超過門檻電壓時，正向電

12、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)дb壓降約為0.60.7V,鍺管約為0.20.3V，發(fā)光二極管的導通電壓一| 般為1. 7V以上。如圖5.4中AB（AB）。其中0.7V和0.3V是二極管的最大正向?qū)妷阂?一即到此電壓時無論電壓再怎么升高（不能高于二極管的額定耐壓值），加在二極管上的電 壓也不會再升高了二極管正向?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)。反向特性二極管兩端加上反向電壓時（N區(qū)接正，P區(qū)接負），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 L，見圖5.4

13、中OC （OC）段。R反向擊穿特性二極管反向電壓加到一定數(shù)值時，反向電流急劇增大，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5.4中CD（CD）段。PN結(jié)的反向擊穿從機理上說分：齊納擊穿和雪崩擊穿，一般對于反壓小于4V的擊穿 稱為齊納擊穿，反壓大于7V的稱為雪崩擊穿。二極管的兩種模型 7.4.1理想模型：做開關管用7.4.2恒壓降模型：二極管正偏時兩端電壓基本固定。半導體二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF :二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流 的平均值。最大反向工作電壓UBM :二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為 反向擊穿電壓ubr ,為

14、安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓ubm一般只按反向擊 穿電壓ubr的一半計算。即：正偏電流不能超七，反偏電壓不能超ubm。反向飽和電流IR :硅二極管的反向電流一半在納安（nA）級；錯二極管在 （uA）級。正向壓降U :在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。硅二極管約為F0.60.8V；錯二極管約為0.20.3V。動態(tài)電阻Rd :反應了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，Rd與工作電流 的大小有關，即：Rd=電壓的變化Ud除以電流Id的變化。7.6二極管的溫度特性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

15、移動,反向電流增大。溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加：如 硅二極管溫度每增加8攝氏度，反向電流將約增加一倍；錯二極管溫度每增加12攝氏度， 反向電流將約增加一倍。另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1攝氏度，正向壓降uf約減 小2Mv，即具有負溫度系數(shù)。二極管的識別方法二極管的識別很簡單，小功率二極管的N極（負極），在二極管外表大多采用一種 色圈（負極）標出來，有些二極管也用二極管專用符號來表示P極（正極）或N極（負 極），也有采用符號標志為“P”、“N”來確定二極管極性的。發(fā)光二極管的正負極可從引腳 長短來識別，長腳為正，短腳為負。發(fā)光二極管的

16、正負極判別：（1）由于發(fā)光二極管的導通電壓一般為1.7V以上，萬用 表R*10K檔由于使用的15V電池，能把有的發(fā)光管點亮。（2）用眼睛來觀察發(fā)光二極管， 可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的兩個電極一大一小。一般來說，電極較小、個頭較矮的一個是發(fā)光二極管 的正極，電極較大的一個是它的負極。若是新買來腳較長的一個是正極。二極管的簡易測試將指針萬用表置于RX 100或RX1k（Q）檔。（RX1檔電流太大，用RX 10k（Q）檔電壓太 高,都易損壞管子）。如圖5.6所示,。測試注意事項：用數(shù)字式萬用表去測二極管時，紅表筆 接二極管的正極，黑表筆接二極管的負極，此時測得的阻值才是二極管的正向?qū)ㄗ柚担?這與指針式萬用表的

17、表筆接法剛好相反。圖5.6萬用表簡易測試二極管示意圖（a）電阻小；（b）電阻大5.8二極管使用注意事項5.8.1）二極管應按照用途、參數(shù)及使用環(huán)境選擇。5.8.2）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。5.8.3）更換二極管時，應用同類型或高一級的代替。5.8.4）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。5.8.5）點接觸二極管的工作頻率高，不能承受較高的電壓和通過較大的電流，多用 于檢波、小電流整流或高頻開關電路。面接觸二極管的工作電流和能承受的功率都較大， 但適用的頻率較低，多用于整流

18、、穩(wěn)壓、低頻開關電路等方面。5.9二極管常見應用電路5.9.1.單相半波整流電路（整流電路的任務時把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動電壓）5.9.1.1）電路的組成及工作原理：通過二極管把交流電變?yōu)橹绷麟姡粗蛔尳涣?電的正半周（或負半周）通過，再用電容器濾波形成平滑的直流由于流過負載的電流。如圖 Io和加在負載兩端的電壓Uo只有半個周期的正弦波，故稱半波整流。圖5.9.1單相半波整流電路（a）電路圖；（b）波形圖iO+uO(a) TOC o 1-5 h z ）負載上的直流電壓和直流電流廠, i-p- pq 主匕 人 tqpt 甘口 , 一 , q, i-p- ytt _l/ . z-t U J U d

19、 （t） J 2U sin td（t） U* 0.45U2直流電壓是指一個周期內(nèi)脈動電壓的平均值：O 2n 0。2n 02 ， 2n 2r UU因而流過負載Rl上的直流電流則為：I。= R。-。.45 R2LL）整流二極管參數(shù) 由圖5.9.1（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，即當二極管截止時，它承受的反向峰值電壓U是變壓器次級電壓的最大值，即RM+RM25.9.2.單相橋式整流電路5.9.2.1）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5.9.2.1-A單相橋式整流電路a,b.c三種畫法所示+uOB(b)TB(c)由圖5.9.2.1-A可見，四

20、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 點接向直流負載日1，不同極性接在一起的一對頂點接向交流電源。輸出波形如圖5.9.2.1-B橋式整流電路輸出全波形圖c所示，單相橋式電路的電流通路 圖a&b所示：(a)u2正半周時(b)u2負半周時。圖5.9.2.1-B橋式整流電路輸出波形圖&單相橋式電路的電流通路)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。U 廣 0.9U 2/ UI = 0 .9o R)整流二極管的參數(shù)l在橋式整流電路中，因為二極管VI、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

21、的一半，即r 1 U2廣RU =克U從圖5.9.2.1-B可知，每個二極管在截止時承受的反向峰值電壓為：rm 2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5.9.1所示。+(b)圖5.9.1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

22、整 流電路的要求。5.9.2各種濾波電路倒L型濾波器5.9.2.1.電容濾波電路電路組成及工作原理圖5.9.2.1-A(a)為單相半波整流電容濾波電路，它由電容C和負載RL并聯(lián)組成。V(a )iO +u O路及波形如圖5.9.2-B所示。圖5.9.2 -A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3t=n/2時，u2達到峰值，C兩端的電壓也近似充至：2 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i+uO

23、(a)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圖 5.9.2-B2）負載上電壓的計算:（半波）（橋式、全波）3）元件選擇（a）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RlC (35) f (橋式、全波)R C (3 5)T (半波)（b）整流二極管的選擇：正向平均電流為1V I O（半波）V 2 0（橋式）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

24、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。5.9.2.2.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5.9.2.2所示。圖5.9.2.2橋式整流電感濾波電路及波形（a）電路；（b）波形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（通直阻交），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：Uo = -9U 25.1

25、0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。5101.穩(wěn)壓二極管5.10.1.1）穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理：它是應用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。反向工 作時，兩端的反向電流發(fā)生了很大變化，但穩(wěn)壓二極管兩端的電壓卻不變。穩(wěn)壓二極管的 特點就是工作在反向擊穿區(qū)，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當把穩(wěn)壓管接入電路以 后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負載兩端的電壓 將基本保持不變。二極管在電路中的符號為“VD”或“D”，穩(wěn)壓二極管的符號為“ZD” 。5.10.1.2 ）故障特點：穩(wěn)壓二

26、極管的故障主要表現(xiàn)在開路、短路和穩(wěn)壓值不穩(wěn)定。在 這三種故障中，前一種故障表現(xiàn)出電源電壓升高；后兩種故障表現(xiàn)為電源電壓變低到零伏 或輸出不穩(wěn)定。圖5.10.1.1穩(wěn)壓二極管的特性曲線和符號（a）伏安特性曲線；（b）符號5.10.1.4 ）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)（a）穩(wěn)定電壓UZ。穩(wěn)定電壓UZ即反向擊穿電壓。（b）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) 定電流小于最小穩(wěn)定電流I min時，沒有穩(wěn)定作用;大于最大穩(wěn)定電流I max時,管子因過流而 損壞。5.10.1.5 ）穩(wěn)壓二極管的應用穩(wěn)壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是其限流作用，以保 護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電