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半导体二极管教学目标1．了解半导体的导电特性2．了解P型半导体和N型半导体的区别3．理解PN结的单向导电性4．熟悉半导体二极管的结构、型号、主要参数和伏安特性5．掌握二极管的单向导电性及二极管的检测方法。6．知道特殊二极管的性能差异和应用。教学重点3．理解PN结的单向导电性5．掌握二极管的单向导电性及二极管的检测方法。教学过程一、半导体基础知识1．半导体的基本概念半导体是自然界中的一种特殊材料。通常情况下，它的导电能力介于导体和绝缘体之间，但“掺杂”后或在外界温度、光照、压力等条件发生变化时，其导电恨不能会发生很大的变化。用得最多的半导体材料是硅和锗，其次还有硒和一些金属氧化物和硫化物。2．N型半导体和P型半导体纯净半导体中有少量带负电的自由电子和带正电的“空穴”，导电能力很弱。掺杂：在纯净半导体中“掺入”微量的三价或五价元素，这种工艺叫掺杂。（1）N型半导体在纯净的半导体中掺入五价的磷元素，每个磷原子与周围的四个硅原子形成稳定的共价键之后，就多出一自由电子，因此自由电子数远远大于空穴数，导电能力可以提高几十万倍。这种半导体主要靠自由电子导电，所以称之为电子型半导体或N型半导体。（1）P型半导体在纯净的半导体中掺入三价的硼元素，每个磷原子与周围的四个硅原子形成稳定的共价键之后，产生一个“空穴”，因此“空穴”数远远大于自由电子数，导电能力也可以提高几十万倍。这种半导体主要靠“空穴”导电，所以称之为“空穴”型半导体或P型半导体。3．PN结（1）ＰＮ结的形成在同一半导体基片上，用不同的掺杂工艺使其一边为Ｐ型半导体，另一边为Ｎ型半导体，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦*近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。（1）PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，又称为PN结正向偏置，简称正偏；PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，又称为PN结反向偏置，简称反偏。(1)PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。(2)PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。二、半导体二极管1．二极管的结构晶体二极管也称半导体二极管，它是在PN结的Ｎ区和Ｐ区分别引出一根电极，并用管壳封装而成的。与Ｐ区相连的电极称为正极或阳极，与Ｎ区相连的电极称为负极或阴极．2．二极管的分类正向导通反向截止+PN++--基本结构电路符号（1）按所材料不同，可分为硅二极管和锗二极管两大类．按制作工艺不同，可分为点接触型和面结型两类。点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合；面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合；平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。3．二极管的型号（1）我国二极管的命名方法（见下表）：第1位是数字“2”，表示二极管。第2位是字母，表示所用的半导体材料：“A”为N型锗二极管，“B”为锗二极管。C为硅二极管，D为硅二极管。第3位是字母，表示二极管类型：“P”普通管，“V”微波管，“W”稳压管，“C”二极管的内部结构示意图参量管，“Z”整流管，“L”整流堆，“S”隧道管，“N”阻尼管，“U”光电管，“K”开关管。第4位是数字，表示序号。例如：2AP9(N型锗材料普通二极管2CW56(N型硅材料稳压二极管)2——二极管2——二极管A——N型锗材料C——N型硅材料P——普通型W——稳压管9——序号56——序号（2）1N是日本电子元件命名法：1代表有一个PN节为二极管；2代表有两个PN节为三极管。1N4000系列为硅整流二极管相关参数如下：型号电流A耐压值V1N40011501N400211001N400312001N400414001N400516001N400618001N4007110004．普通二极管的检测（包括检波二极管、整流二极管、阻尼二极管、开关二极管、续流二极管）。二极管是由一个PN结构成的半导体器件，具有单向导电特性。通过用万用表检测其正、反向电阻值，可以判别出二极管的电极，还可估测出二极管是否损坏。（1）极性的判别将万用表置于R×100档或R×1k档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大（为反向电阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。（2）单负导电性能的检测及好坏的判断通常，锗材料二极管的正向电阻值为1kΩ左右，反向电阻值为300左右。硅材料二极管的电阻值为5kΩ左右，反向电阻值为∞（无穷大）。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。5．二极管的伏安特性所谓的伏安特性就是指流过二极管的电流I与加在其两端的电压U之间的关系。1．正向特性，理想的二极管，正向电流和电压成指数关系。但是实际的二极管，加正向电压的时候，需要克服PN结内电压，所以电压要大于内电压时，才会出现电流。这个最小电压称作开启电压。小于开启电压的区域，叫做死区（通常硅管的死区电压小于0.5V，锗管小于0.2V）。当电压大于开启电压，那么电流成指数关系上升。增加很快，所以二极管上的压降，其实很小，硅管约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V，否则由于电流太大，就烧坏了。2．反向特性，理想的二极管，不论反向电压多大，反向都无电流。实际的二极管，反向截止时，也是有电流的，这个电流叫做反向饱和电流。在电压没有达到反向击穿电压时，二极管的电流一直等于方向饱和电流。但是当电压大到一定程度，二极管被反向击穿，电流急剧增大。反向击穿分齐纳击穿和雪崩击穿两种。有的二极管击穿后撤去反向电压，还能恢复原状态，比如稳压二极管就是工作在反向击穿区的。有的反向击穿就直接烧坏了。5．二极管的主要参数1．额定电流（最大平均整流电流）IFIF是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。2．反向击穿电压VB当二极管反向反向电流急剧增大而出现击穿现象时的电压称为反向击穿电压。3．最大反向工作电压VRMVRM是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。实际应用时，当反向电压增加到击穿电压VB时，二极管可能被击穿损坏，因而，VRM通常取为（1/2～2/3）VB。4．反向饱和电流ISIS是指二极管未被反向击穿时的反向电流。4．最高工作频率ƒMƒM是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。实际应用时，不要超过此值，否则二极管的单向导电性将显著退化。ƒM的大小主要由二极管的电容效应来决定。三、特殊二极管及其应用1．稳压二极管（1）稳压二极管的特性是一种用于稳定电压，且工作在反向击穿状态下的二极管。稳压管反向电压增大到一定值时，出现齐纳击穿，特性曲线非常陡峭，反向电流在较大范围内变化时，管子两端电压几乎不变，稳压管就是利用这一特殊性质进行稳压的。（2）稳压管的上要参数稳定电压：正常工作时两端的电压，用UZ表示。稳定电流：正常工作时通过稳压管的电流，用IZ表示。最大稳定电流IZmax是稳压管正常工作时所能承受的最大电流；最小稳定电流IZmin是稳压管工作于稳定电压时需要的最小电流。耗散功率：是指稳压管正常工作时，反向电流通过PN结所消耗的功率，用PZ表示。（3）稳压管的应用稳压管常被用作为稳压器或电压基准元件。2.发光二极管简称LED，它的PN结一般是采用砷或磷的化合材料制成的，当给它两极加正向电压导通时，PN结两侧的多数载流子直接复合将释放光能，发出亮光。常用于电器设备、仪器仪表的指示电路。3.光电二极管又叫光敏二极管，它是利用半导体的光敏感特性原理，将光信号转变成电信号的器件，电路符号是光电二极管工作在反偏状态下，不受光照时，通过二极管的电流很小，当有光照射时，反向电流会显著增大，且随光照强度的增加而增大。通常用在自动控制电路中。4.变容二极管是利用PN结的电容效应制成的，电容量与两极所加的反向电压的大小有关，调节其两端反向电压，可以方便地改变两极之间电容量的大小，电路符号是四、二极管的检测1．极性的判别。2．好坏的判别。