第9章-半導體二極管及其應用要點課件

第9章半導體二極管及其應用9.1半導體二極管9.2穩(wěn)壓二極管9.3特殊二極管簡介第9章半導體二極管及其應用9.1半導體二極管19.1半導體二極管

1.半導體二極管的結構和符號

半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的物質，如硅、鍺等。純凈的半導體又稱為本征半導體，其原子排列整齊有序，呈晶體結構。半導體材料有幾個重要性質，如熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。摻雜特性是指在半導體中摻入微量元素后，其導電能力大為提高,且在本征半導體中摻入不同的微量元素后,就會得到不同性質的半導體材料。例如,在本征半導體硅中摻入微量磷元素，就會形成電子型半導體,又稱為N型半導體；摻入微量硼元素，就會形成空穴型半導體,又稱為P型半導體。把N型半導體和P型半導體結合在一起，其界面處就形成了PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。將PN結裝上電極引線和管殼，就是半導體二極管，又稱晶體二極管，簡稱二極管，其結構和符號如圖9.1所示。9.1半導體二極管

1.半導體二極管2圖9.1二極管的結構和符號(a)結構示意圖；(b)符號圖9.1二極管的結構和符號32.半導體二極管的單向導電性

二極管最為重要的特性是其單向導電性，即加正向電壓(也叫正偏電壓)導通，如圖9.2(a)所示，二極管的陽極接電源正極，陰極接電源負極，此時燈亮；加反向電壓(也叫反偏電壓)截止，如圖9.2(b)所示，二極管的陰極接電源正極，陽極接電源負極，此時燈不亮。2.半導體二極管的單向導電性

二極管最為重要的特性4圖9.2二極管的單向導電性(a)正偏導通；(b)反偏截止圖9.2二極管的單向導電性53.半導體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二極管通過的電流與其端電壓之間的關系，如圖9.3所示。圖9.3硅二極管的伏安特性3.半導體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二64.半導體二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF。它是二極管允許長期通過的最大正向平均電流。有些IF較大的二極管必須按規(guī)定加裝散熱片，否則可能因過熱而燒壞。

(2)最高反向工作電壓URM。它是二極管工作時允許承受的最大反向工作電壓，實際使用時其反向工作電壓不要超過URM，以免造成二極管反向擊穿而損壞。

(3)最高工作頻率fM。超過fM，二極管將失去單向導電性。

此外，還有反向電流、正向電壓等參數(shù)。4.半導體二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流I75.二極管的應用

利用二極管的單向導電性，可實現(xiàn)整流、限幅等功能。

1)二極管整流電路

二極管最基本的應用是整流，即把交流電轉換成脈動的直流電。圖9.4(a)所示為二極管半波整流電路。若忽略二極管的死區(qū)電壓和反向飽和電流，則可把二極管看成理想二極管，即把二極管作為一個開關，當輸入電壓為正半周時，二極管導通(相當于開關閉合)，uo=ui；當輸入電壓為負半周時，二極管截止(相當于開關打開)，uo=0。其輸入、輸出電壓波形如圖9.4(b)所示。5.二極管的應用

利用二極管的單向導電性，可實8圖9.4二極管半波整流電路(a)電路；(b)輸入、輸出電壓波形圖9.4二極管半波整流電路92)二極管限幅電路

限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化加以限制的電路，常用于波形變換和整形，如圖9.5(a)所示。設ui=5sinωtV，E=2V，VD為理想二極管。當ui>E時，二極管導通，uo=E=2V；當ui<E時，二極管截止，電阻R中沒有電流，uo=ui。輸入、輸出電壓波形如圖9.5(b)所示，顯然該電路把輸出電壓的正峰值限制為2V。2)二極管限幅電路

限幅電路也稱為削波電路，它是一10圖9.5二極管限幅電路(a)電路；(b)輸入、輸出電壓波形圖9.5二極管限幅電路119.2穩(wěn)壓二極管

1.穩(wěn)壓二極管的伏安特性

穩(wěn)壓二極管實際上也是一種面接觸型硅二極管，簡稱穩(wěn)壓管，其伏安特性及符號如圖9.6所示。

從圖中可看出，穩(wěn)壓管的伏安特性與普通二極管相似，但穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)，即對應于特性曲線的AB段，稱為擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管中的PN結經過了特殊處理，即使長時間工作在擊穿區(qū)也不會損壞，一旦除去外加反向電壓，PN結仍能恢復原狀。特性曲線AB段的特征是：當電流有較大變化時,穩(wěn)壓管兩端的電壓變化卻很小,這一特性可用于穩(wěn)壓。9.2穩(wěn)壓二極管

1.穩(wěn)壓二12圖9.6穩(wěn)壓二極管的伏安特性及符號(a)伏安特性；(b)符號圖9.6穩(wěn)壓二極管的伏安特性及符號132.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ。UZ指穩(wěn)壓管正常工作時(反向擊穿狀態(tài))管子的端電壓，一般為3V~25V，高的可達200V。

(2)穩(wěn)定電流IZ和IZmax。IZ指穩(wěn)壓管正常工作時的電流，IZmax指穩(wěn)壓管允許通過的最大反向電流。

(3)額定功耗PZ。PZ指保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功率損耗，且

PZ=UZIZmax2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ。UZ指14圖9.7穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖9.7穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路153.穩(wěn)壓管的應用

穩(wěn)壓管主要用于構成穩(wěn)壓電路，如圖9.7所示。

1)工作原理

穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理如下：當交流電源電壓升高，引起穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui增大時，輸出電壓(即穩(wěn)壓管上的電壓)Uo增加，這時穩(wěn)壓管的電流增加，使得電阻R上的電流增大，電阻R上的電壓也增大，電阻R上的電壓增量基本抵消了Ui的增量，所以輸出電壓Uo基本上可以保持不變，反之亦然。3.穩(wěn)壓管的應用

穩(wěn)壓管主要用于構成穩(wěn)壓電路，如圖162)電路元件的選擇

(1)穩(wěn)壓管的選擇：穩(wěn)壓管IZ必須滿足IZ<IZmax，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ應等于負載所需電壓Uo(穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定電流值可查晶體管手冊)。多個穩(wěn)壓二極管也可串聯(lián)使用，以獲得較高的Uo值，但要注意穩(wěn)壓管不能并聯(lián)使用。

(2)限流電阻R的選擇：若R的阻值太大，將造成穩(wěn)壓管不能擊穿而失去穩(wěn)壓作用；若R的阻值太小，則當負載較輕時(負載電阻RL較大)，可能會燒毀穩(wěn)壓管。選擇R的阻值有兩個原則：當Ui最大而IL最小時，R應滿足Uimax≤Uo+R(IZmax+ILmin)；而當Ui最小而IL最大時，R應滿足Uimax≥Uo+R(IZmax+

ILmin)。2)電路元件的選擇

(1)穩(wěn)壓管的選擇：穩(wěn)壓管I179.3特殊二極管簡介

1.發(fā)光二極管(LED)

發(fā)光二極管是一種能將電能轉換成光能的特殊二極管，它的符號如圖9.8所示。發(fā)光二極管的基本結構是一個PN結，通常是用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物如砷化鎵、磷化鎵等制成的。它的特性曲線和普通二極管相似，但正向導通電壓一般為1V～2V。當對管子施加正向電壓時，會發(fā)出一定波長的可見光，光譜范圍比較窄，其波長由所用材料決定。波長不同，所發(fā)光的顏色也不同，常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發(fā)光二極管常用來作為顯示器件，除單個使用外，也常做成七段式或矩陣式發(fā)光二極管，工作電流一般在幾毫安至十幾毫安之間。9.3特殊二極管簡介

1.發(fā)光二極管18圖9.8發(fā)光二極管的符號圖9.8發(fā)光二極管的符號192.光電二極管

光電二極管在管殼上有一個玻璃窗口以便于接受光照，它的反向電流隨著光照強度的增加而上升。圖9.9是光電二極管的符號。其主要特點是反向電流與光照度成正比。

光電二極管可應用于光的測量。當制成大面積的光電二極管時，光電二極管可作為一種能源使用，稱為光電池。2.光電二極管

光電二極管在管殼上有一個玻璃窗口以20圖9.9光電二極管的符號圖9.9光電二極管的符號212.光電二極管

光電二極管在管殼上有一個玻璃窗口以便于接受光照，它的反向電流隨著光照強度的增加而上升。圖9.9是光電二極管的符號。其主要特點是反向電流與光照度成正比。

光電二極管可應用于光的測量。當制成大面積的光電二極管時，光電二極管可作為一種能源使用，稱為光電池。2.光電二極管

光電二極管在管殼上有一個玻璃窗口以223.變容二極管

二極管存在著PN結電容，結電容的大小除了與二極管的結構和工藝有關外，還隨反向電壓的增加而減小，利用這種特性可制成變容二極管。

圖9.10所示為變容二極管的符號。不同型號的管子，其電容的最大值為5pF～300pF。變容二極管的最大電容與最小電容之比約為5∶1。變容二極管在高頻技術中應用較多。3.變容二極管

二極管存在著PN結電容，結電容的大23圖9.10變容二極管的符號圖9.10變容二極管的符號24第9章半導體二極管及其應用9.1半導體二極管9.2穩(wěn)壓二極管9.3特殊二極管簡介第9章半導體二極管及其應用9.1半導體二極管259.1半導體二極管

1.半導體二極管的結構和符號

半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的物質，如硅、鍺等。純凈的半導體又稱為本征半導體，其原子排列整齊有序，呈晶體結構。半導體材料有幾個重要性質，如熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。摻雜特性是指在半導體中摻入微量元素后，其導電能力大為提高,且在本征半導體中摻入不同的微量元素后,就會得到不同性質的半導體材料。例如,在本征半導體硅中摻入微量磷元素，就會形成電子型半導體,又稱為N型半導體；摻入微量硼元素，就會形成空穴型半導體,又稱為P型半導體。把N型半導體和P型半導體結合在一起，其界面處就形成了PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。將PN結裝上電極引線和管殼，就是半導體二極管，又稱晶體二極管，簡稱二極管，其結構和符號如圖9.1所示。9.1半導體二極管

1.半導體二極管26圖9.1二極管的結構和符號(a)結構示意圖；(b)符號圖9.1二極管的結構和符號272.半導體二極管的單向導電性

二極管最為重要的特性是其單向導電性，即加正向電壓(也叫正偏電壓)導通，如圖9.2(a)所示，二極管的陽極接電源正極，陰極接電源負極，此時燈亮；加反向電壓(也叫反偏電壓)截止，如圖9.2(b)所示，二極管的陰極接電源正極，陽極接電源負極，此時燈不亮。2.半導體二極管的單向導電性

二極管最為重要的特性28圖9.2二極管的單向導電性(a)正偏導通；(b)反偏截止圖9.2二極管的單向導電性293.半導體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二極管通過的電流與其端電壓之間的關系，如圖9.3所示。圖9.3硅二極管的伏安特性3.半導體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二304.半導體二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF。它是二極管允許長期通過的最大正向平均電流。有些IF較大的二極管必須按規(guī)定加裝散熱片，否則可能因過熱而燒壞。

(2)最高反向工作電壓URM。它是二極管工作時允許承受的最大反向工作電壓，實際使用時其反向工作電壓不要超過URM，以免造成二極管反向擊穿而損壞。

(3)最高工作頻率fM。超過fM，二極管將失去單向導電性。

此外，還有反向電流、正向電壓等參數(shù)。4.半導體二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流I315.二極管的應用

利用二極管的單向導電性，可實現(xiàn)整流、限幅等功能。

1)二極管整流電路

二極管最基本的應用是整流，即把交流電轉換成脈動的直流電。圖9.4(a)所示為二極管半波整流電路。若忽略二極管的死區(qū)電壓和反向飽和電流，則可把二極管看成理想二極管，即把二極管作為一個開關，當輸入電壓為正半周時，二極管導通(相當于開關閉合)，uo=ui；當輸入電壓為負半周時，二極管截止(相當于開關打開)，uo=0。其輸入、輸出電壓波形如圖9.4(b)所示。5.二極管的應用

利用二極管的單向導電性，可實32圖9.4二極管半波整流電路(a)電路；(b)輸入、輸出電壓波形圖9.4二極管半波整流電路332)二極管限幅電路

限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化加以限制的電路，常用于波形變換和整形，如圖9.5(a)所示。設ui=5sinωtV，E=2V，VD為理想二極管。當ui>E時，二極管導通，uo=E=2V；當ui<E時，二極管截止，電阻R中沒有電流，uo=ui。輸入、輸出電壓波形如圖9.5(b)所示，顯然該電路把輸出電壓的正峰值限制為2V。2)二極管限幅電路

限幅電路也稱為削波電路，它是一34圖9.5二極管限幅電路(a)電路；(b)輸入、輸出電壓波形圖9.5二極管限幅電路359.2穩(wěn)壓二極管

1.穩(wěn)壓二極管的伏安特性

穩(wěn)壓二極管實際上也是一種面接觸型硅二極管，簡稱穩(wěn)壓管，其伏安特性及符號如圖9.6所示。

從圖中可看出，穩(wěn)壓管的伏安特性與普通二極管相似，但穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)，即對應于特性曲線的AB段，稱為擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管中的PN結經過了特殊處理，即使長時間工作在擊穿區(qū)也不會損壞，一旦除去外加反向電壓，PN結仍能恢復原狀。特性曲線AB段的特征是：當電流有較大變化時,穩(wěn)壓管兩端的電壓變化卻很小,這一特性可用于穩(wěn)壓。9.2穩(wěn)壓二極管

1.穩(wěn)壓二36圖9.6穩(wěn)壓二極管的伏安特性及符號(a)伏安特性；(b)符號圖9.6穩(wěn)壓二極管的伏安特性及符號372.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ。UZ指穩(wěn)壓管正常工作時(反向擊穿狀態(tài))管子的端電壓，一般為3V~25V，高的可達200V。

(2)穩(wěn)定電流IZ和IZmax。IZ指穩(wěn)壓管正常工作時的電流，IZmax指穩(wěn)壓管允許通過的最大反向電流。

(3)額定功耗PZ。PZ指保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功率損耗，且

PZ=UZIZmax2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ。UZ指38圖9.7穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖9.7穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路393.穩(wěn)壓管的應用

穩(wěn)壓管主要用于構成穩(wěn)壓電路，如圖9.7所示。

1)工作原理

穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理如下：當交流電源電壓升高，引起穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui增大時，輸出電壓(即穩(wěn)壓管上的電壓)Uo增加，這時穩(wěn)壓管的電流增加，使得電阻R上的電流增大，電阻R上的電壓也增大，電阻R上的電壓增量基本抵消了Ui的增量，所以輸出電壓Uo基本上可以保持不變，反之亦然。3.穩(wěn)壓管的應用

穩(wěn)壓管主要用于構成穩(wěn)壓電路，如圖402)電路元件的選擇

(1)穩(wěn)壓管的選擇：穩(wěn)壓管IZ必須滿足IZ<IZmax，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ應等于負載所需電壓Uo(穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定電流值可查晶體管手冊)。多個穩(wěn)壓二極管也可串聯(lián)使用，以獲得較高的Uo值，但要注意穩(wěn)壓管不能并聯(lián)使用。

(2)限流電阻R的選擇：若R的阻值太大，將造成穩(wěn)壓管不能擊穿而失去穩(wěn)壓作用；若R的阻值太小，則當負載較輕時(負載電阻RL較大)，可能會燒毀穩(wěn)壓管。選擇R的阻值有兩個原則：當Ui最大而IL最小時，R應滿足Uimax≤Uo+R(IZmax+ILmin)；而當Ui最小而IL最大時，R應滿足Uimax≥Uo+R(IZmax+

ILmin)。2)電路元件的選擇

(1)穩(wěn)壓管的選擇：穩(wěn)壓管I419.3特殊二極管簡介

1.發(fā)光二極管(LED)

發(fā)光二極管是一種能將電能轉換成光能的特殊二極管，它的符號如圖9.8所示。發(fā)光二極管的基本結構是一個PN結，通常是用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物如砷化鎵、磷化鎵等制成的。它的特性曲線和普通二極管相似，但正向導通電壓一般為1V～2V。當對管子施加正向電