電子技術(shù)基礎(chǔ)課件：半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第一節(jié)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、特性及其基本應(yīng)用第二節(jié)特殊二極管及其應(yīng)用半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分。由于半導(dǎo)體器件具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容:(1)半導(dǎo)體的基本知識(shí)、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦浴?2)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、特性曲線和主要參數(shù)。(3)特殊二極管和半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用電路。學(xué)習(xí)目標(biāo):(1)了解半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)，熟悉其圖形符號(hào)、單向?qū)щ娦?，理解半?dǎo)體二極管的伏安特性及主要參數(shù)，能夠查閱相關(guān)手冊(cè)。(2)學(xué)會(huì)半導(dǎo)體二極管識(shí)別與檢測(cè)的基本方法，了解半導(dǎo)體二極管的使用知識(shí)，掌握其基本應(yīng)用。(3)熟悉穩(wěn)壓二極管的圖形符號(hào)、工作特點(diǎn)及其應(yīng)用。(4)了解發(fā)光二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管的圖形符號(hào)、工作特點(diǎn)及其應(yīng)用。

第一節(jié)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、特性及其基本應(yīng)用

1.1結(jié)構(gòu)與類型1.結(jié)構(gòu)與符號(hào)半導(dǎo)體二極管由PN結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成，如圖1.1所示。2.類型半導(dǎo)體二極管的種類很多，按材料分為硅二極管和鍺二極管;按結(jié)構(gòu)分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管和硅平面型二極管。1)點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管的特點(diǎn)是結(jié)面積小，結(jié)電容小，適用于高頻下工作，如圖1.2所示，主要應(yīng)用于小電流的整流和檢波、混頻等。2)面接觸型二極管面接觸型二極管的特點(diǎn)是結(jié)面積大，能通過(guò)較大的電流，但結(jié)電容也大，只能工作在較低頻率下，可用于整流，如圖1.3所示。3)硅平面型二極管硅平面型二極管中，結(jié)面積大的，可通過(guò)較大的電流，適用于大功率整流;結(jié)面積小的，結(jié)電容也小，適用于在脈沖數(shù)字電路中作開關(guān)管。近期，由于電子產(chǎn)品的微型化和輕量化，片狀的貼片元器件發(fā)展極為迅速。此類器件為無(wú)引線或短引線微型元器件，可直接安裝于印制電路板表面，在微型收錄機(jī)、移動(dòng)通信設(shè)備、高頻電子儀器、微型計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。圖1.4所示為二極管的封裝和微型二極管的實(shí)物示意。1.2特性及主要參數(shù)1.單向?qū)щ娦远O管的主要特性是單向?qū)щ娦?。加在二極管兩端的電壓稱為偏置電壓，若將直流電源的正端加到二極管正極(PN結(jié)的P區(qū))，負(fù)端加到二極管的負(fù)極(PN結(jié)的N區(qū))，如圖1.5(a)所示，稱為二極管(PN結(jié))正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。這時(shí)電流表示出較大的電流值，二極管的這種狀態(tài)稱為正偏導(dǎo)通，二極管呈現(xiàn)很小的電阻。若將直流電源的正端接二極管的負(fù)極，負(fù)端接二極管的正極，如圖1.5(b)所示，稱為二極管(PN結(jié))反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏。這時(shí)電流表示出的電流值幾乎為零，二極管的這種狀態(tài)稱為反向截止，即二極管呈現(xiàn)很大的電阻。這種允許一個(gè)方向電流流通的特性，稱為單向?qū)щ娦浴?.特性曲線二極管本質(zhì)就是一個(gè)PN結(jié)，但是對(duì)于真實(shí)的二極管器件，考慮到引線電阻和半導(dǎo)體的體電阻及表面漏電等因素的影響，二極管的特性與PN結(jié)略有差別。二極管的實(shí)測(cè)特性曲線如圖1.6所示。1)正向特性正向電壓低于某一數(shù)值時(shí)，正向電流很小，只有當(dāng)正向電壓高于某一值后，才有明顯的正向電流。該電壓稱為導(dǎo)通電壓，又稱為門限電壓或死區(qū)電壓，用Uon表示。在室溫下，硅管的Uon約為0.6～0.8V，鍺管的Uon約為0.1～0.3V。通常認(rèn)為，當(dāng)正向電壓U＜Uon時(shí)，二極管截止；U＞Uon時(shí)，二極管導(dǎo)通。2)反向特性二極管加反向電壓，反向電流數(shù)值很小，且基本不變，稱為反向飽和電流。硅管的反向飽和電流為納安(nA)數(shù)量級(jí)，鍺管為微安(μA)數(shù)量級(jí)。當(dāng)反向電壓加到一定值時(shí)，反向電流急劇增加，產(chǎn)生擊穿。普通二極管反向擊穿電壓一般在幾十伏以上(高反壓管可達(dá)幾千伏)。4)主要參數(shù)描述器件的物理量，稱為器件的參數(shù)。它是器件特性的定量描述，也是選擇器件的依據(jù)。各種器件的參數(shù)可由手冊(cè)查得。二極管的主要參數(shù)有:(1)最大整流電流IF。IF指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行允許通過(guò)的最大正向平均電流。因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)PN結(jié)要引起管子發(fā)熱，電流過(guò)大，發(fā)熱量超過(guò)限度就會(huì)燒壞PN結(jié)，所以在使用二極管時(shí)，通過(guò)管子的正向平均電流不允許超過(guò)所規(guī)定的最大整流電流值。一般地，點(diǎn)接觸型二極管的最大整流電流在幾十毫安以下，面接觸型二極管的最大整流電流可達(dá)數(shù)百安以上，有的甚至可達(dá)幾千安以上。(2)最大反向工作電壓URM。URM指保證二極管不被擊穿而給出的最大反向工作電壓。通常是反向擊穿電壓的1/2～2/3，以保證二極管在使用中不致因反向電壓過(guò)大而損壞。點(diǎn)接觸型二極管的最大反向電壓一般在數(shù)十伏以下，面接觸型二極管的最大反向電壓一般可達(dá)數(shù)百伏。(3)最大反向電流IRM。IRM指給二極管加最大反向電壓時(shí)的反向電流值。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娔芰Σ?，并且受溫度的影響大。硅二極管的反向電流一般在幾微安以下。鍺二極管的反向電流較大，為硅二極管的幾十倍到幾百倍。(4)最高工作頻率fM。fM主要由PN結(jié)的結(jié)電容的大小來(lái)決定。二極管的工作頻率若超過(guò)一定值，就可能失去單向?qū)щ娦?，這一頻率稱為最高工作頻率fM。1.3綜合應(yīng)用1.使用常識(shí)1)二極管的型號(hào)命名方法(摘自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB249—74)國(guó)產(chǎn)二極管型號(hào)由五部分組成，組成部分的符號(hào)及其意義可參閱表1.1。2)器件手冊(cè)的查閱二極管的參數(shù)一般可以從半導(dǎo)體器件手冊(cè)中查到，現(xiàn)選錄了幾種常用國(guó)產(chǎn)二極管的主要參數(shù)列于表1.2，供學(xué)習(xí)參考。2.選用與檢測(cè)1)選用一般根據(jù)設(shè)備及電路技術(shù)要求，查閱半導(dǎo)體器件手冊(cè)，選用參數(shù)滿足要求的二極管。在挑選過(guò)程中，應(yīng)盡量選用經(jīng)濟(jì)、通用、市場(chǎng)容易買到的器件。具體選用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)查閱手冊(cè)時(shí)應(yīng)注意器件的離散性以及參數(shù)測(cè)試條件。同型號(hào)管子的實(shí)際參數(shù)可能有較大的差別，當(dāng)工作條件發(fā)生較大變化時(shí)，參數(shù)值也可能有較大的改變，所以選用時(shí)要留有一定的余量。(2)根據(jù)使用場(chǎng)合來(lái)確定二極管的型號(hào)。若用于整流電路，應(yīng)選用整流二極管；若用于檢波電路，應(yīng)選用點(diǎn)接觸型鍺管；若用于高速開關(guān)電路，應(yīng)選用開關(guān)二極管；若用于穩(wěn)壓電路，應(yīng)選用穩(wěn)壓二極管；若用于電路狀態(tài)指示，應(yīng)選用發(fā)光二極管等。(3)所選用二極管極限參數(shù)應(yīng)大于實(shí)際可能產(chǎn)生的最大值，特別注意不要超過(guò)最大工作電流(或最大功耗)和最大反向工作電壓，并留有足夠的余量。(4)盡管選用反向電流小、正向壓降小的管子。(1)二極管正、負(fù)極性的識(shí)別。使用時(shí)二極管正、負(fù)極性不可接反，否則有可能造成二極管的損壞。二極管極性的識(shí)別很簡(jiǎn)單，如果是透明玻璃外殼的二極管，可直接看出極性，即內(nèi)部連接半導(dǎo)體芯片的一根引線是負(fù)極，連接接觸絲的一根引線是正極；大功率二極管多采用金屬封裝，并且?guī)в新菝币员愎潭ㄔ谏崞魃?，帶有螺帽的一端通常是?fù)極，另外一端是正極。一般情況下，二極管外殼上大多采用一道色環(huán)來(lái)標(biāo)示出負(fù)極。例如玻璃封裝二極管的負(fù)極端有一道黑色環(huán)，黑色塑料封裝二極管的負(fù)極端有一道銀色或白色環(huán)。也有的二極管采用一個(gè)色點(diǎn)來(lái)標(biāo)示出正極。還有部分二極管采用將二極管的圖形符號(hào)印刷在外殼上來(lái)標(biāo)示它的正極和負(fù)極。發(fā)光二極管的正、負(fù)極可從引腳的長(zhǎng)短來(lái)識(shí)別，如果引腳沒(méi)有被剪過(guò)，那么長(zhǎng)的引腳為正極，短的引腳為負(fù)極。各種不同封裝的二極管如圖1.7所示。若不能由標(biāo)記(如標(biāo)記不清)來(lái)判斷正、負(fù)極，則可用萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)、判斷。(2)用萬(wàn)用表檢測(cè)、判斷。將萬(wàn)用表置于×1k擋，調(diào)零后用表筆跨接于二極管兩個(gè)引腳，如圖1.8所示，讀取電阻值，然后將表筆位置互換再讀一次電阻值，正常情況下應(yīng)分別讀得大、小兩個(gè)電阻值，其中小電阻為二極管的正向電阻，如圖1.8(a)所示；大電阻為二極管反向電阻，如圖1.8(b)所示。由于模擬萬(wàn)用表置電阻擋時(shí)，黑表筆連接的為表內(nèi)電池正極，紅表筆連接的為表內(nèi)電池負(fù)極，所以測(cè)得正向電阻時(shí)，與黑表筆相連的引腳為二極管的正極(A)，紅表筆所接引腳為負(fù)極(K)。若正、反向電阻阻值相差不大，則為劣質(zhì)管；若正、反向電阻阻值都非常大，表明管子內(nèi)部已斷路；若正、反向電阻阻值都很小，則表明管子內(nèi)部已短路。出現(xiàn)斷路時(shí)，表明二極管已損壞。管子正常情況下，若正向電阻為幾千歐，則為硅管;若正向電阻為幾百歐，則為鍺管。1.4電路分析1.二極管模型當(dāng)二極管的正向壓降遠(yuǎn)小于外接電路的等效電壓，其相比可忽略時(shí)，可用圖1.9(a)中與坐標(biāo)軸重合的折線近似代替二極管的伏安特性，這樣的二極管稱為理想二極管。它在電路中相當(dāng)于一個(gè)理想開關(guān)，只要二極管外加正向電壓稍大于零，它就導(dǎo)通，其管壓降為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管截止，其電阻為無(wú)窮大，相當(dāng)于開關(guān)斷開。當(dāng)二極管的正向壓降與外加電壓相比較，相差不是很大，而二極管的正向電阻與外接電阻相比較可以忽略時(shí)，若用理想二極管模型來(lái)分析計(jì)算將產(chǎn)生較大的誤差，這時(shí)可用圖1.9(b)所示伏安特性模型來(lái)近似代替實(shí)際二極管，稱為二極管的恒壓降模型。顯然，這種模型較理想模型更接近實(shí)際二極管。

第二節(jié)特殊二極管及其應(yīng)用

2.1穩(wěn)壓二極管1.符號(hào)及特性穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型硅二極管，其圖形符號(hào)和伏安特性曲線如圖1.14所示。穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，利用反向擊穿特性，電流變化很大，引起很小的電壓變化。穩(wěn)壓二極管的工作原理利用的是PN結(jié)的擊穿特性。由二極管的特性曲線可知，如果二極管工作在反向擊穿區(qū)，則當(dāng)反向電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，管子兩端電壓相應(yīng)的變化卻很小，這說(shuō)明它具有很好的穩(wěn)壓特性。2.主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ:指流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流為規(guī)定值時(shí)穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓值，其值取決于穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓值。由于工藝方面的原因，同一型號(hào)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓允許有一定的范圍。（2）穩(wěn)定電流IZ:指穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓工作時(shí)的參考電流值，通常為工作電壓等于UZ時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流值。當(dāng)工作電流低于IZ時(shí)，穩(wěn)壓效果變差(有時(shí)也常將IZ記作IZmin);若低于IZmin時(shí)，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。（3）最大耗散功率PZm和最大工作電流IZm(或記作IZmax):指為了保證穩(wěn)壓二極管不被熱擊穿而規(guī)定的極限參數(shù)，由管子允許的最高結(jié)溫決定，PZm=IZmUZ。（4）動(dòng)態(tài)電阻rZ:指穩(wěn)壓范圍內(nèi)穩(wěn)壓二極管兩端電壓變化量與相應(yīng)電流變化量之比，rZ=ΔUZ/ΔIZ。rZ值很小，約幾歐到幾十歐。rZ越小，即反向擊穿特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能就越好。(5)電壓溫度系數(shù)CTV:指溫度每增加1℃時(shí)，穩(wěn)定電壓的相對(duì)變化量，即3.基本應(yīng)用利用穩(wěn)壓管組成的簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路如圖1.15所示，R為限流電阻，RL為穩(wěn)壓電路的負(fù)載。當(dāng)輸入電壓UI、負(fù)載RL變化時(shí)，該電路可維持電壓UO的穩(wěn)定。穩(wěn)壓二極管正常穩(wěn)壓工作時(shí)，有下述方程式：若RL不變，UI增大時(shí)，UO將會(huì)隨著增大，加于二極管兩端的反向電壓增加，使電流IZ大大增加，IR也隨之顯著增加，從而使限流電阻上的壓降IRR增大，其結(jié)果是，UI的增加量絕大部分都降落在限流電阻R上，從而使輸出電壓UO基本維持恒定。反之，UI下降時(shí)，IR減小，R上壓降減小，從而維持UO基本恒定。若UI不變，負(fù)載電阻RL增大時(shí)，輸出電壓UO將會(huì)跟隨增大，則流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流IZ大大增加，致使IRR增大，迫使輸出電壓UO下降。同理，若RL減小，使UO下降，則IZ顯著下降，使IRR減小，迫使UO增大，從而維持了輸出電壓的穩(wěn)定。2.2變?nèi)荻O管PN結(jié)具有電容效應(yīng)，當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)它的反向電阻很大，近似開路，PN結(jié)可構(gòu)成理想的電容器件，且其容量隨加于PN結(jié)兩端反向電壓的增大而減小。變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)具有電容特性的原理制成的特殊二極管，如圖1.16所示。1.2.3光電器件1.發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱LED，它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件，由化合物半導(dǎo)體制成，如圖1.17所示。它也是由一個(gè)PN結(jié)組成，當(dāng)加正向電壓時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子擴(kuò)散至對(duì)方與少子復(fù)合，復(fù)合過(guò)程中，有一部分以發(fā)光子的形式放出，使二極管發(fā)光。2.光電二極管光電二極管又稱光敏二極管，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的特殊二極管，如圖1.18所示。與普通二極管一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。光電二極管工作在反向偏置下，在無(wú)光照時(shí)，與普通二極管一樣，反向電流很小，該電流稱為暗電流，此時(shí)光電管的反向電阻高達(dá)幾十兆歐。當(dāng)有光照時(shí)，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稱為光生載流子;在反向電壓作用下，光生載流子參與導(dǎo)電，形成比無(wú)光照時(shí)大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流，此時(shí)光電管的反向電阻下降至幾千歐至幾十千歐，與光照強(qiáng)度成正比。如果外電路接上負(fù)載，便可獲得隨光照強(qiáng)弱而變化的電信號(hào)。光電二極管一般用作光電檢測(cè)器件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。本章小結(jié)(1)PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。PN結(jié)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相結(jié)合而成。PN結(jié)具有單向?qū)?/p>