《電工電子技術(shù)項目教程 》課件-5.項目5 半導(dǎo)體二極管及其作用

電工電子技術(shù)項目化教程項目5半導(dǎo)體二極管及其作用任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管任務(wù)5.2半導(dǎo)體二極管的作用任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管一、任務(wù)引入任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管

在我們?nèi)粘Ｊ褂玫亩喙δ茈娫床遄?，很多都裝有一個電源指示燈，用以指示電源的開和關(guān)，這種指示燈一般都是采用發(fā)光二極管來實現(xiàn)，如圖所示即為電源指示燈電路。電路端口處電壓為交流電，電阻的作用是進(jìn)行限流。當(dāng)電路接通，亮?xí)r，插座有電；滅時，插座無電。正常發(fā)光時，本身的電流很小。電源指示燈電路任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管二、教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：

掌握半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識及PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

理解二極管的結(jié)構(gòu)及伏安特性。能力目標(biāo)：

能夠根據(jù)參數(shù)要求選擇二極管；

能夠?qū)ΧO管管腳極性進(jìn)行準(zhǔn)確的識別。素質(zhì)目標(biāo)：

培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和邏輯思維能力；

培養(yǎng)學(xué)生靈活運用知識的能力；

培養(yǎng)學(xué)生的動手和實踐能力。任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管三、相關(guān)知識（一）半導(dǎo)體基本知識

自然界的物質(zhì)，按導(dǎo)電性能的不同，可分為三大類：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體具有以下獨特的導(dǎo)電特性：（1）熱敏性。半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而減小，利用這一特性可制成溫度敏感元件，如熱敏電阻等。（2）光敏性。半導(dǎo)體電阻值受光的照射而減小，利用這一特性可制成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。（3）雜敏性。在本征半導(dǎo)體中加入微量的雜質(zhì)（如磷等），其阻抗就會大大下降，利用這一特性可制造出各種不同用途的半導(dǎo)體器件（如二極管、三極管和晶閘管等）。任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管1.PN結(jié)的形成

雜質(zhì)半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素，根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同可分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。（1）P型半導(dǎo)體如果在半導(dǎo)體硅、鍺中摻入微量三價元素（硼），就會產(chǎn)生大量空穴，這種半導(dǎo)體主要是帶正電的空穴參與導(dǎo)電，稱為P型半導(dǎo)體。（2）N型半導(dǎo)體在半導(dǎo)體硅、鍺中摻入微量五價元素（磷、砷），將會使自由電子大量增加，半導(dǎo)體主要依靠自由電子導(dǎo)電，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。在一塊本征半導(dǎo)體上，采用摻雜工藝，使一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，在兩者交界面附近形成一個空間電荷區(qū)，這個空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

所謂PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，就是?dāng)PN結(jié)外加正向電壓時，有較大電流通過PN結(jié)，而且通過的電流隨外加電壓的升高而迅速增大；而當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時，通過PN結(jié)的電流非常微小，而且電流幾乎不隨外加電壓的增加而變化。

（a）PN結(jié)正偏

（b）PN結(jié)反偏

PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀蝿?wù)5.1半導(dǎo)體二極管

（1）PN結(jié)正偏當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓，即把電源正極接P區(qū)，電源負(fù)極接N區(qū)，此時稱PN結(jié)為正向偏置，簡稱正偏。這時在回路中形成較大的正向電流IF，PN結(jié)正向?qū)?，PN結(jié)呈低阻狀態(tài)，如圖（a）所示。（2）PN結(jié)反偏當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓，即把電源正極接N區(qū)，電源負(fù)極接P區(qū)，稱PN結(jié)為反向偏置，簡稱反偏。這時在回路中形成非常小的反向電流IR，PN結(jié)反向截止，PN結(jié)呈高阻狀態(tài)。如圖（b）所示。綜上，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即加正向電壓時導(dǎo)通，加反向電壓時截止。任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管（二）半導(dǎo)體二極管特性及主要參數(shù)1.二極管的結(jié)構(gòu)和類型

（a）結(jié)構(gòu)（b）圖形符號

二極管結(jié)構(gòu)與圖形符號（a）塑料封裝（b）金屬封裝螺旋式（c）金屬封裝平板式

常見二極管的外形任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管

二極管的核心是PN結(jié)，因此同樣具有單向?qū)щ娦?。二極管的伏安特性是指加在二極管兩端的電壓和流過二極管的電流的關(guān)系。若以電壓為橫坐標(biāo)，電流為縱坐標(biāo)，用作圖法把電壓、電流的對應(yīng)值用平滑的曲線連接起來，就形成二極管的伏安特性曲線，如圖所示。

2.二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管

（1）正向?qū)ㄌ匦?/p>

當(dāng)外加正向電壓很小時，正向電流幾乎為0；隨著外加正向電壓逐漸增加，當(dāng)其超過一定數(shù)值后，電流迅速增大，這個一定數(shù)值的正向電壓稱為死區(qū)電壓，其大小與管子的材料及環(huán)境溫度有關(guān)，一般硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V；當(dāng)外加正向電壓超過死區(qū)電壓時，正向電流就會急劇地增大，二極管呈現(xiàn)很小的電阻而處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時硅管的正向?qū)▔航导s為0.6～0.7V，鍺管約為0.2～0.3V。（2）反向截止特性

二極管加反向電壓時，在開始的很大范圍內(nèi)，二極管相當(dāng)于非常大的電阻，反向電流很?。ù穗娏鞣Q反向飽和電流），且不隨反向電壓的變化而變化，此時二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。（3）反向擊穿特性

如果二極管反向電壓繼續(xù)增加到一定數(shù)值時，反向電流急劇增大，二極管失去單向?qū)щ娦裕@種現(xiàn)象稱為反向擊穿，此時對應(yīng)的電壓uBR稱為二極管的反向擊穿電壓。任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管3.二極管的主要參數(shù)

（1）最大整流電流二極管長期正常運行時允許通過的最大正向平均電流。使用時正向平均電流不能超過此值，否則會燒壞二極管。（2）最高反向工作電壓二極管正常工作時，保證二極管不被擊穿而允許達(dá)到的最高反向電壓，通常取反向擊穿電壓的一半左右。（3）反向飽和電流在規(guī)定的反向電壓和室溫下，二極管未被擊穿時的反向電流，其值越小，說明管子的單向?qū)щ娦阅茉胶谩?/p>

任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管（三）特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制造的硅二極管，只要反向電流不超過極限電流，管子工作在擊穿區(qū)并不會損壞，屬可逆擊穿，這與普通二極管破壞性擊穿是截然不同的。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)域時，利用其陡峭的反向擊穿特性在電路中起穩(wěn)定電壓作用。它的電路符號如圖（a）所示，常見外形如圖（b）所示。

（a）電路符號

（b）常見外形

穩(wěn)壓二極管電路符號與常見外形任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管2.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管與普通二極管一樣，也是由PN結(jié)構(gòu)成的，具有單向?qū)щ娦裕ぷ髟谡蚱脿顟B(tài)，導(dǎo)通時能發(fā)光，是一種把電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。發(fā)光二極管的PN結(jié)通常用砷化鎵、磷化鎵等制成，可發(fā)出紅、黃、藍(lán)等顏色的光，作為顯示器件使用。圖中所示為發(fā)光二極管電路符號和常見外形。

（a）電路符號

（b）常見外形

發(fā)光二極管電路符號和常見外形任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管3.光電二極管

光電二極管是一種很常用的光敏元件，工作在反向偏置狀態(tài)，它的管殼上有一個玻璃窗口，用以接受光照，從而實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。光電二極管的電路符號如圖（a）所示。

（a）電路符號

（b）常見外形

光電二極管電路符號和常見外形任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管1.二極管的理想模型

理想二極管：加正向電壓時導(dǎo)通，管壓降為零，可等效為一個“閉合”的開關(guān)；加反向電壓時截止，電流為零，可等效為一個“斷開”的開關(guān)。因此，理想二極管具有“開關(guān)”特性，正偏時開關(guān)閉合，反偏時開關(guān)斷開。四、知識拓展

（a）符號

（b）等效電路模型任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管2.限幅電路

限幅是指限制輸出信號的幅度。當(dāng)輸入信號幅度變化較大時，為使信號幅度得到一定的限制，可將信號接入限幅電路，如圖所示。（a）電路

（b）波形任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管1.用指針式萬用表判別二極管的極性及性能

測試方法：將萬用表的轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到

或

檔，然后用兩表筆分別正向、反向測量其電阻值，一個為幾百歐到幾千歐（正向電阻），一個為幾百千歐（反向電阻）。如測量出幾百歐小電阻值，則與黑表筆相連的一端為正極，與紅表筆相連的一端為負(fù)極。反之如測量出幾百千歐大阻值，則與紅表筆相連的一端為正極，與黑表筆相連的一端則為負(fù)極，如下圖所示。若測量的正向電阻和反向電阻均很?。ǖ扔?）則表明二極管短路；若測量的正向電阻和反向電阻均為無窮大，則表明二極管斷路。五、技能訓(xùn)練任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管

（a）

（b）

二極管的測量溫馨提示：在指針式萬用表電阻檔，黑表筆為表內(nèi)電池的正極，紅表筆

為表內(nèi)電池的負(fù)極，與插孔所標(biāo)極性相反。任務(wù)5.1半導(dǎo)體二極管2.用數(shù)字式萬用表判別二極管的極性及性能

當(dāng)用數(shù)字式萬用表測試二極管時（檔位置于標(biāo)有二極管符號的檔），用紅表筆接二極管的正極，黑表筆接二極管的負(fù)極，數(shù)字式萬用表直接顯示二極管的正向電壓降。正常情況下，硅二極管的正向電壓降為0.5～0.7，而鍺二極管的正向電壓降為0.2～0.3。反接時應(yīng)顯示“1”。測量時，若正反向均顯示“0”，則表明二極管已經(jīng)擊穿短路；而如果正反向皆溢出，則表明二極管內(nèi)部斷路。溫馨提示：數(shù)字萬用表兩表筆極性在各檔與插孔所標(biāo)極性相同。任務(wù)5.2半導(dǎo)體二極管的作用一、任務(wù)引入

電子電路必須要有直流電源才能工作，通常獲得直流電源的方法較多，如干電池、蓄電池、直流電機(jī)等，但相比而言，常用的是利用交流電源經(jīng)過變換而成的直流電源。一般情況下，獲取中小功率直流電源的方法是利用電網(wǎng)交流電壓，經(jīng)過降壓變壓器降壓，經(jīng)整流和濾波電路后，得到一個幅值比較平滑的直流電壓，再利用穩(wěn)壓電路使輸出的直流電壓穩(wěn)定在負(fù)載需要的電壓值上，其過程如圖所示。

直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)框圖及波形圖任務(wù)5.2半導(dǎo)體二極管的作用二、教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：掌握直流穩(wěn)壓電源的基本組成及各部分的作用；掌握整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路的特點和工作原理。能力目標(biāo)：

能夠設(shè)計簡單的直流穩(wěn)壓電源，并能正確分析；

能夠?qū)φ麟娐?、濾波電路和穩(wěn)壓電路進(jìn)行組裝和測試。素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生主動探索的創(chuàng)新精神；提高學(xué)生的安全意識。任務(wù)5.2半導(dǎo)體二極管的作用三、相關(guān)知識（一）整流電路1.單相半波整流電路（a）電路

（b）波形圖

單相半波整流電路及波形圖任務(wù)5.2半導(dǎo)體二極管的作用

負(fù)載上的電壓：由波形圖可以看出負(fù)載上得到的整流電壓方向不變，但大小是變化的，即脈動的直流電壓，常用一個周期的平均值表示它的大小。即：

負(fù)載上的平均電流為：

二極管的最高反向工作電壓：任務(wù)5.2半導(dǎo)體二極管的作用2.單相全波整流電路（a）電路

（b）波形圖

單相橋式整流電路及波形圖

單相橋式整流電路簡化畫法任務(wù)5.2半導(dǎo)體二極管的作用

負(fù)載電壓：由上圖（b）可知，全波整流的整流電壓的平均值比半波整流增加了一倍，即：

負(fù)載電流：

每個二極管的最高反向電壓均為：任務(wù)5.2半導(dǎo)體二極管的作用（二）濾波電路1.單相半波整流電容濾波電路

（a）電路