半导体二极管及其应用电路

半导体二极管及其应用电路主要内容：1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3特殊二极管1.4半导体二极管的应用1.5小结1.1半导体基础知识1.1.1半导体的导电特性1.1.2PN结1.1.1半导体的导电特性自然界中的各种物质按其导电性能的不同可划分为：导体、半导体和绝缘体。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间.常见的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge),它们都是+4价元素.硅的热稳定性比锗好.1.1.1半导体的导电特性一、半导体的特点1.热敏性2.光敏性3.掺杂性温度、光照、是否掺入杂质元素这三方面对半导体导电性能强弱影响很大。当半导体温度升高、光照加强、掺入杂质元素，其导电能力将大大增强。1.1.1半导体的导电特性二、本征半导体半导体按其是否掺入杂质来划分，又可分为：本征半导体和杂质半导体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。在绝对0K（-273oC），本征半导体基本不导电。1.1.1半导体的导电特性（1）本征半导体的原子结构及共价键共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。价电子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4共价键的两个价电子1.1.1半导体的导电特性（2）本征激发现象当温度升高或受光照射时，共价键中的价电子获得足够能量，从共价键中挣脱出来，变成自由电子；同时在原共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位称为空穴,电子-空穴对就形成了.自由电子abc＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4共价键的两个价电子空穴1.1.1半导体的导电特性在外电场或其他能源的作用下，邻近的价电子和空穴产生相对的填补运动。这样，电子和空穴就产生了相对移动，它们的运动方向相反，而形成的电流方向是一致的。由此可见，本征半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴，而导体中只有一种载流子：自由电子，这是半导体与导体的一个本质区别。硼原子+4+4+4+4+3+4+4+4+41.1.1半导体的导电特性三、杂质半导体在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。（1）P型半导体--掺入微量的三价元素（如硼）1.1.1半导体的导电特性因此,+3价元素原子获得一个电子,成为一个不能移动的负离子，而半导体仍然呈现电中性。P型半导体的特点：•多数载流子为空穴；•少数载流子为自由电子。1.1.1半导体的导电特性（2）N型半导体--掺入微量的五价元素(如磷)N型半导体:多子-自由电子少子-空穴磷原子＋4＋4＋4＋4＋5＋4＋4＋4＋4自由电子1.1.1半导体的导电特性注意：杂质半导体中的多数载流子的浓度与掺杂浓度有关；而少数载流子是因本征激发产生，因而其浓度与掺杂无关，只与温度等激发因素有关.P区N区1.1.2PN结一．PN结的形成在一块本征半导体的两边,分别形成P型和N型半导体,在两种载流子交界处会出现载流子的相对运动.扩散运动-多数载流子因浓度上的差异而形成的运动.1.1.2PN结扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面靠近P区一侧留下了不能移动的负离子，靠近N区一侧留下了等量的正离子。P区和N区交界面两侧形成的正、负离子薄层，称为空间电荷区,其中无载流子。由于空间电荷区的出现，建立了PN结的内电场。漂移运动-内电场的作用使载流子发生的运动.P区N区空间电荷区(耗尽区\势垒区)内电场1.1.2PN结当扩散和漂移两种相反作用的运动达到动态平衡时，形成的稳定空间电荷区就叫做PN结。P区N区PN结1.1.2PN结二．PN结的单向导电性（1）外加正向电压—正偏当PN结加上正向电压，即P区接电源正极(高电位)，N区接电源负极(低电位)。此时，称PN结加正向偏置电压，简称“正偏”.变薄空穴(多数)电子(多数)R外电场内电场IFNP1.1.2PN结正偏时由于PN结变薄,空间电荷区消失(外加电场足够大),能导电的区域增大,因此,PN结呈现出的正向电阻小,流过的正向电流大.因此,PN结正偏导通.1.1.2PN结（2）外加反向电压—反偏当PN结加上反向电压，即P区接电源负极(低电位)，N区接电源正极(高电位)。此时，称PN结加反向偏置电压，简称“反偏”.NP变厚IR≈0R外电场内电场电子(少数)空穴(少数)1.1.2PN结反偏时由于PN结变厚,不能导电的区域增大,因此,PN结呈现出的反向电阻很大,流过的反向电流很小,基本为0.因此,PN结反偏截止.※PN结的单向导电性:正偏导通,反偏截止1.1.2PN结三.PN结的反向击穿特性反向击穿:当PN结的反偏电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大的现象。PN结的击穿现象有下列两类：(1)热击穿:不可逆,应避免(2)电击穿:可逆,又分为雪崩击穿和齐纳击穿.1.1.2PN结(1)雪崩击穿当反向电压足够高时（一般U6V）PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。这种形式的击穿称为雪崩击穿.1.1.2PN结(2)齐纳击穿对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（U4V），耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。1.1半导体基础知识小结①本征半导体中，电子与空穴总是成对出现。②杂质半导体有：P型和N型。P型半导体中，多子是空穴，少子是电子；N型半导体中，多子是电子，少子是空穴。③在P型和N型半导体交界处形成的空间电荷区就是PN结,其主要特性是单向导电性—正偏导通,反偏截止.1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构及其在电路中的代表符号1.2.2二极管的伏安特性曲线1.2.3二极管的主要参数1.2.4二极管的命名1.2.5二极管的判别1.2.1二极管的结构及符号※二极管本质上就是一个PN结.它在电路中的代表符号和PN结是相同的:P极N极P极又称为阳极、正极N极又称为阴极、负极1.2.1二极管的结构及符号根据制造结构不同,常见的二极管有点接触型,面接触型和平面型.(a)点接触型(b)面接触型(c)平面型1.2.1二极管的结构及符号另外,按材料不同可分为：锗二极管、硅二极管。其中，硅二极管的热稳定性比锗二极管的热稳定性要好的多。按用途不同可分为：普通二极管、整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、光电二极管等。1.2.2二极管的V-I特性伏安特性是指二极管两端的电压u与流过二极管电流i的关系。一．正向特性指二极管正偏时的V-I特性,如图中红色曲线所示。VvD/iv/mA0.20.40.60.8-V（BR）硅锗二极管伏安特性曲线1.2.2二极管的V-I特性正向特点:①正向电压较小时,不足以使二极管导通,i=0,此时的V-I曲线对应区域称为死区②正向电压逐渐增大,二极管开始导通,此时的电压成为门坎电压Uth硅管Uth=0.5V锗管Uth=0.1V③当正向电压继续增大,二极管完全导通.导通后两端电压基本为定值,称为二极管的正向导通压降VD硅管VD=0.7V锗管VD=0.3V1.2.2二极管的V-I特性二．反向特性指二极管反偏时的V-I特性,如图中绿色曲线所示。二极管外加反向电压时，反向电流很小（I≈-IS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。iv/mA0.20.40.60.8-V（BR）硅锗二极管伏安特性曲线1.2.2二极管的V-I特性三．二极管的等效电路模型（1）理想电路模型反偏时，反向电流近似为零，相当于开关断开（开路).-u+正偏时，其管压降为0.7V，忽略后相当于开关闭合（短路）.+u-1.2.2二极管的V-I特性（2）恒压降模型反偏时，反向电流近似为零，相当于开关断开（开路).-u+正偏时，管压降为VD不做忽略,正向电阻小近似为0,相当于一个大小为VD,方向从P到N的电压源.+u-+VD-1.2.3二极管的主要参数器件的参数是对其特性的定量描述,是正确使用和合理选择器件的依据.一、二极管的直流参数（1）最大整流电流IFM（2）最高反向工作电压URM（3）反向电流IR（4）直流电阻RD1.2.3二极管的主要参数二、二极管的交流参数（1）交流电阻rd交流电阻rd是工作点Q附近电压与电流的变化量之比，即：iudr1.2.3二极管的主要参数（2）结电容CjPN结的结电容Cj由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。①势垒电容CB势垒电容的影响主要表现在反向偏置状态时。②扩散电容CD该等效电容是由载流子的扩散运动随外电压的变化引起的.1.2.3二极管的主要参数（3）最高工作频率fM二极管的最高工作频率fM主要由结电容的大小来决定。若工作频率超过了最高工作频率fM，则二极管的单向导电性变坏。1.2.4二极管的命名我国国产半导体器件的命名方法采用国家GB249-74标准。1.2.4二极管的命名1.2.5二极管的检测与判别一、判别方法：识别法：通过二极管管壳上的符号、标志来识别.例如有标记的一端一般为N极.检测法：用万用表的欧姆档，量程为R×100Ω或R×1kΩ档测量其正反向电阻（一般不用R×1Ω档，因为电流太大；而R×10kΩ档的电压太高，管子有被击穿的危险）.1.2.5二极管的检测与判别1.2.5二极管的检测与判别二、检测法判别步骤（1）二极管好坏的判别若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。1.2.5二极管的检测与判别（2）二极管正、负极性的判断将万用表红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极。1.3特殊二极管1.3.1硅稳压二极管1.3.2光电二极管和光电池1.3.3发光二极管1.3.1硅稳压二极管稳压二极管是一种特殊工艺制造的结面型硅二极管,通常工作在反向击穿状态.一、V-I特性和符号1.3.1硅稳压二极管二、稳压管的主要参数（1）稳定电压UZ（2）最小稳定电流IZmin（3）最大稳定电流IZmax（4）额定功耗PZ（5）动态电阻rZ（6）温度系数αz1.3.1硅稳压二极管三、稳压管的应用常用的并联型稳压电路:如:ui↑→uo↑→IZ↑→I↑（=IZ+IL）→uR↑→uo（=ui－uR）基本不变同理，当ui一定，RL发生变化时，稳压管两端的电压仍然基本保持不变,从而起到稳压作用.1.3.2光电二极管和光电池一、光电二极管光电二极管又称光敏二极管，可将光信号转换成电信号.它工作在反偏状态,反向电流与照度成正比.1.3.2光电二极管和光电池光电二极管的简单使用1.3.2光电二极管和光电池二、光电池硅光电池是一种将光能直接转换成电能的半导体器件，又叫太阳能电池。光电池控制电路当光电池PC1、PC2受到光照射而产生电势时，单向晶闸管SK导通，若开关K1合，则此时便有9V直流电压加于负载上。1.3.3发光二极管一、发光二极管发光二极管LED是一种将电能转换成光能的特殊二极管,常用作显示器件。发光二极管的代表符号1.3.3发光二极管发光二极管应用电路（一）1.3.3发光二极管发光二极管应用电路（二）1.4半导体二极管的应用1.4.1整流电路1.4.2检波电路1.4.3限幅电路1.4.4钳位电路1.4.1整流电路将交流电转换成单向脉动直流电的过程称为整流。二极管半波整流电路1.4.2检波电路在接收机中，将低频信号从高频调制信号中检取出来的过程，称为检波.基本工作原理就是利用二极管的单向导电性和电容两端的电压不能突变的特性。1.4.3限幅电路将输出电压的电平限制在预置的电平范围内，用于限制输入信号的峰值，有选择地传输一部分电压的电路，称为限幅电路.二极管限幅电路1.4.4钳位电路将输入信号的顶部或底部钳位于某一直流电平上的电路，