第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用講解

第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1PN結(jié)1.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問1.1.2PN結(jié)1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1基本結(jié)構(gòu)、種類與符號1.2.2伏安特性1.2.3主要參數(shù)1.2.4運(yùn)用留意事項(xiàng)1.3二極管應(yīng)用1.3.1整流1.3.2檢波1.3.3鉗位1.3.4限幅1.3.5元件愛護(hù)1.4特殊二極管1.4.1穩(wěn)壓二極管1.4.2發(fā)光二極管1.4.3光敏二極管1.4.4變?nèi)荻O管1.4.5隧道二極管1.4.6肖特基二極管1.4.7片式二極管1.4.8快復(fù)原二極管第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用本章要點(diǎn):半導(dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問PN結(jié)單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)、符號、伏安特性及應(yīng)用特殊二極管本章難點(diǎn):半導(dǎo)體二極管伏安特性半導(dǎo)體二極管應(yīng)用第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問1.1

PN結(jié)1.半導(dǎo)體特性導(dǎo)電實(shí)力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的，稱之為半導(dǎo)體。(1)熱敏性：導(dǎo)體的導(dǎo)電實(shí)力對溫度反應(yīng)靈敏，受溫度影響大。當(dāng)環(huán)境溫度上升時，其導(dǎo)電實(shí)力增加，稱為熱敏性。利用熱敏性可制成熱敏元件。(2)光敏性：導(dǎo)體的導(dǎo)電實(shí)力隨光照的不同而不同。當(dāng)光照增加時，導(dǎo)電實(shí)力增加，稱為光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)摻雜性：導(dǎo)體更為獨(dú)特的導(dǎo)電性能體現(xiàn)在其導(dǎo)電實(shí)力受雜質(zhì)影響極大，稱為摻雜性。第六章負(fù)反饋放大器第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1

PN結(jié)2.

本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。圖1-1共價鍵結(jié)構(gòu)圖1-2本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對示意圖圖1-3電子與空穴的移動第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用3．雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，可以變更半導(dǎo)體中兩種載流子的濃度。依據(jù)摻入雜質(zhì)種類的不同，半導(dǎo)體可以分N型半導(dǎo)體(摻入五價元素雜質(zhì))和P型半導(dǎo)體(摻入三價元素雜質(zhì))。1.1

PN結(jié)圖1-4

N型半導(dǎo)體共價鍵結(jié)構(gòu)圖1-5P型半導(dǎo)體共價鍵結(jié)構(gòu)第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1

PN結(jié)1.1.2

PN結(jié)1．PN結(jié)的形成圖1-6P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的交界面圖1-7多子的擴(kuò)散與空間電荷區(qū)的形成第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1

PN結(jié)2．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)加正向電壓所謂PN結(jié)加正向電壓，也可稱為正向偏置，是指將PN結(jié)的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，如圖1-8所示。正向偏置下的PN結(jié)將相當(dāng)于一個數(shù)值很小的電阻，可視為PN結(jié)正向?qū)?。圖1-8

PN結(jié)加正向電壓第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1

PN結(jié)(2)

PN結(jié)加反向電壓

PN結(jié)加反向電壓，是指將PN結(jié)的P區(qū)接電源負(fù)極，將其N區(qū)接電源正極，如圖1-9所示。整個PN結(jié)表現(xiàn)為一個很大的電阻，可視為PN結(jié)反向截止。圖1-9

PN結(jié)加反向電壓綜上所述，可得出結(jié)論：PN結(jié)的正向電阻很小，可視為正向?qū)ǎ环聪螂娮韬艽?，可視為反向截止。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴５?章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.1基本結(jié)構(gòu)、種類與符號

1.2

半導(dǎo)體二極管1.結(jié)構(gòu)與符號二極管的結(jié)構(gòu)主要可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類

半導(dǎo)體二極管的電路符號標(biāo)記如圖1-11所示圖1-10二極管的不同結(jié)構(gòu)圖1-11二極管符號第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2

半導(dǎo)體二極管2.分類依據(jù)二極管的結(jié)構(gòu)分，可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩大類依據(jù)二極管的材料，可分為硅二極管和鍺二極管。依據(jù)二極管的用途，則可分為一般二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管及變?nèi)荻O管等。第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2

半導(dǎo)體二極管1.2.2伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性指的是流過二極管的電流與二極管兩端電壓的關(guān)系曲線。這一關(guān)系曲線如圖1-12所示，可分為三部分進(jìn)行分析。圖1-12二極管的伏安特性曲線(1)正向特性

(2)反向特性

(3)反向擊穿特性

第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2

半導(dǎo)體二極管(1)正向特性：對應(yīng)于圖1-12曲線的第①段，為二極管伏特性的正向特性部分。這時加在二極管兩端的電壓不大，從數(shù)值上看，只有零點(diǎn)幾伏，但此時流過二極管的電流卻較大，即此時二極管呈現(xiàn)的正向電阻較小。一般硅管正向?qū)▔航导s為0.6～0.7V,鍺管約為0.2～0.3V。硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V。(2)反向特性：對應(yīng)于圖1-12曲線的第②段，是當(dāng)二極管加反向電壓的狀況。當(dāng)外加反向電壓時，由于少數(shù)載流子的漂移，可以形成反向飽和電流，又由于少子的數(shù)目少，因此反向電流很小，用IS表示。第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2

半導(dǎo)體二極管(3)反向擊穿特性：對應(yīng)于特性曲線的第③段。當(dāng)作用在二極管的反向電壓高達(dá)某一數(shù)值后，反向電流會劇增，而使二極管失去單向?qū)щ娦裕@種現(xiàn)象稱為擊穿，所對應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。二極管的反向擊穿，亦即PN結(jié)的反向擊穿，可分為熱擊穿與電擊穿兩種。

志向二極管的電流與端電壓之間有如下關(guān)系為溫度電壓當(dāng)量，在室溫T=300K時，26mV。

(1-1)第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.3主要參數(shù)1.2

半導(dǎo)體二極管最大整流電流Is：指二極管在長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。最高反向工作電壓URM：指二極管運(yùn)行時允許承受的最高反向電壓。3.反向電流IR：指二極管在加上反向電壓時的反向電流值。4.最高工作頻率fM：此參數(shù)主要由PN結(jié)的結(jié)電容確定，結(jié)電容越大，二極管允許的最高工作頻率越低。第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

-(2)應(yīng)依據(jù)須要正確地選擇型號。1.2.4運(yùn)用留意事項(xiàng)(1)在電路中應(yīng)按注明的極性進(jìn)行連接。

(3)引出線的焊接或彎曲處，離管殼距離不得小于10mm。(4)應(yīng)避開靠近發(fā)熱元件，并保證散熱良好。(5)對整流二極管，建議反向電壓降低20%再運(yùn)用。(6)切勿超過手冊中規(guī)定的最大允許電流和電壓值。(7)二極管的替換。硅管與鍺管不能相互代用。第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.3二極管應(yīng)用1.3.1整流所謂整流，就是將溝通電變?yōu)閱畏较蛎}動的直流電。整流電路是二極管的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相、三相等各種形式的整流電路，然后再經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓，便可獲得平穩(wěn)的直流穩(wěn)壓電源。1.3.2檢波就原理而言，從輸入信號中取出調(diào)制信號是檢波，以整流電流的大小(100mA)作為界限，通常把輸出電流小于100mA

的叫檢波。第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.3.3鉗位

利用二極管正向?qū)〞r壓降很小的特性可組成鉗位電路如圖1-13所示.若A點(diǎn)VA=0，二極管D可正向?qū)?，其壓降很小，故F點(diǎn)的電位也被鉗制在0V左右，即VF≈0。圖1-13二極管鉗位電路第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.3.4限幅利用二極管正向?qū)ê笃鋬啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦?，可以?gòu)成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值內(nèi)。圖1-14限制輸出電壓正半周幅度的限幅電路第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用圖1-15限制輸出電壓負(fù)半周幅度的限幅電路1.3.4限幅第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.3.4限幅圖1-16雙向限幅電路第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.3.5元件愛護(hù)在電子線路中，常用二極管來愛護(hù)其他元器件免受過高電壓的損害，在如圖1-17所示的電路中，L和R是線圈的電感和電阻。圖1-17二極管愛護(hù)電路第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4特殊二極管1.4.1穩(wěn)壓二極管1.電路符號與伏安特性穩(wěn)壓二極管是利用二極管反向擊穿的特性制成的，特地作為穩(wěn)定電壓用的面接觸型硅二極管。它的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)也和一般二極管相像，對外具有兩個電極。圖1-18即為穩(wěn)壓管的符號。圖1-18穩(wěn)壓管符號第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.1穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管的伏安特性如圖1-19所示，它的伏安特性與一般二極管相像，略有差異的是它的反向特性。它的反向特性比一般二極管更加陡直，這正是它用來穩(wěn)壓的依據(jù)所在。圖1-19穩(wěn)壓管伏安特性第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用由穩(wěn)壓管的伏安特性可見，當(dāng)反向電壓小于擊穿電壓時，反向電流很??；當(dāng)反向電壓增加到等于擊穿電壓Uz后，反向電流急劇增加。由圖1-19可見，反向電壓只要略有增加，反向電流就有很大增加，這也是說，當(dāng)反向電流在很大范圍內(nèi)變更時，反向電壓變更不大。穩(wěn)壓管正是利用這一點(diǎn)來穩(wěn)壓的。圖1-19中曲線的AB段是穩(wěn)壓管的反向擊穿區(qū)，電壓Uz稱為穩(wěn)定電壓。1.4.1穩(wěn)壓二極管第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.1穩(wěn)壓二極管圖1-20穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓過程第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.1穩(wěn)壓二極管(1)穩(wěn)定電壓UZ

(2)穩(wěn)定電流IZ

(3)最大穩(wěn)定電流IZmax

(4)動態(tài)電阻rZ

(5)溫度系數(shù)α(6)最大允許耗散功率PZ2.主要參數(shù)第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用【例1-1】在圖1-21中，已知穩(wěn)壓二極管的，已知，時,求Uo穩(wěn)壓二極管的正向?qū)▔航?。?dāng)圖1-21穩(wěn)壓電路解當(dāng)，

反向擊穿穩(wěn)壓

，

正向?qū)ǎ?/p>

；同理，

第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.2發(fā)光二極管

發(fā)光二極管簡稱LED，它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。發(fā)光二極管的符號如圖1-22所示。發(fā)光二極管常用于作為顯示器件，可單個運(yùn)用，也可作成7段式或矩陣式，工作時加正向電壓，并接入相應(yīng)的限流電阻，工作電流一般為幾毫安到幾十毫安，正向?qū)〞r的管壓降為1.8～2.2V。圖1-22發(fā)光二極管符號第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.3光敏二極管光敏二極管又稱為光電二極管，它是將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。

其結(jié)構(gòu)與一般二極管相像，只是在管殼上留有一個能使光線照入的窗口。其符號如圖1-23所示。圖1-23光敏二極管符號圖1-24光敏二極管的特性曲線第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.4變?nèi)荻O管用于自動頻率限制(AFC)和調(diào)諧用的小功率二極管稱變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管符號如圖1-25所示。通過施加反向電壓，

使其PN結(jié)的靜電容量發(fā)生變更，因此，常用于自動頻率限制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。圖1-25變?nèi)荻O管符號第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.5隧道二極管隧道二極管是因?yàn)橛煤写罅侩s質(zhì)的本征半導(dǎo)體制作PN結(jié)時，會產(chǎn)生極薄的耗盡層，若加正向偏壓，則在達(dá)到擴(kuò)散電位之前，由于隧道效應(yīng)而發(fā)生電流流淌。若接近擴(kuò)散電位，則為通常的二極管特性，所以如圖1-26所示，在正向電壓低的范圍，顯示出負(fù)的電阻。圖1-26隧道二極管的電壓電流特性

隧道二極管的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)特性好，速度快、工作頻率高；缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性較差。一般應(yīng)用于某些開關(guān)電路或高頻振蕩等電路中。第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.6肖特基二極管肖特基二極管(SchottkyBarrierDiode)是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成金屬-半導(dǎo)體結(jié)制作二極管。其金屬材料接受金、鉬、鎳、鈦等材料，其半導(dǎo)體材料接受硅或砷化鎵，多為N型半導(dǎo)體。它是高頻和快速開關(guān)的志向器件，其工作頻率可達(dá)100GHz。

常用的肖特基二極管有DB0-004、MBR1545、MBR2535型等。第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.7片式二極管片式二極管的外型如圖1-27所示，外殼一般為黑色，內(nèi)部為PN結(jié)，依據(jù)外型可分為圓柱形片式二極管(見圖1-27(a))和矩形片式二極管(見圖1-27(b))，它們都沒有引線，其兩個端面就為正、負(fù)極。其中標(biāo)有白色豎條的一端為負(fù)極，另一端則為正極。圖1-27片式二極管的外形第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.4.8快復(fù)原二極管1.快復(fù)原二極管的特點(diǎn)快復(fù)原二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管不同，它不是一個單一的PN結(jié)，而是在P型與N型硅材料中間增加了一個基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅層，這種結(jié)構(gòu)的二極管，由于基區(qū)很薄、反向復(fù)原電荷很少、故使該種