半导体二极管及其基本电路2222

1、前言前言 在电子电路中经常用到半导体在电子电路中经常用到半导体二极管，它在许多电路中起着重要二极管，它在许多电路中起着重要的作用，是诞生最早的半导体器件的作用，是诞生最早的半导体器件之一，其应用非常广泛。常把它用之一，其应用非常广泛。常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路编码控制、调频调制和静噪等电路中。中。5.1 二极管的单向导电性二极管的单向导电性 P148半导体材料半导体材料 按导电性能的不同，物质可分为按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。在电子器件导体、绝缘体和半导体。在电子器件中，中，常用的半导体材料主要有硅常

2、用的半导体材料主要有硅(Si)、锗锗(Ge)和砷化镓和砷化镓(GaAs)等。它们的导等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。生显著变化。4图2.1.1硅和锗的原子结构简化模型 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构半导体的共价键结构半导体的共价键结构(1) (1) P型半导体型半导体(2) (2) N型半导体型半导体1、杂质半导体、杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，可使在本征半导体中掺入微量的杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质半导体

3、的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为导体称为杂质半导体杂质半导体。5.1.1 二极管的结构特性(1) P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了镓、铟等形成了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导空穴型半导体体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，主要由掺杂形成主要

4、由掺杂形成； 电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成由热激发形成。444444444空位受主原子图图 2.1. 5 P型半导体的共价键结构型半导体的共价键结构 (2）N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成磷，可形成 N型半导体型半导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

5、电子。 在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。444454444键外电子施主原子图图 2.1.6 N型半导体共价键结构型半导体共价键结构将将P型半导体和型半导体和N型半导体使用特殊工艺连在一型半导体使用特殊工艺连在一起，形成起，形成PN结结。 PN结是各种半导体器件的核心。结是各种半导体器件的核心。 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场

6、促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 2、 PN结的形成最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平动态平衡衡。对于。对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，型半导体结合面，离子薄层形成的离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。P(a)NP(b)N空间电荷区内电场UBP( a ) 多数载流子的扩散运动NP( b ) 平衡时阻挡层形成N耗尽层空间电荷区自建场(b)空间电荷区3、半导体二极管、半导体二极管 半导体二极管是由结加上引线和半导体二极管是由结加上引线和管壳构成的。管壳构成的。 （1 1）外形：）外形： 由管芯（由管芯（PN结）和两条结

7、）和两条正负电极引线及外壳所组成。正负电极引线及外壳所组成。管体外壳标记通常表示正极。管体外壳标记通常表示正极。如图如图1.1（a）所示；）所示；（2 2）符号：）符号：三角形三角形正极，正极， 竖杠竖杠负极，负极， VV二极管的文字符号。二极管的文字符号。图图1.1 半导体二极管的外形和符半导体二极管的外形和符号号c c 按用途：按用途： 整流二极管整流二极管 稳压二极管稳压二极管 发光二极管发光二极管 光电二极管光电二极管 b b 按按PNPN结面积：点接触型、面接触型结面积：点接触型、面接触型a a 按材料分：按材料分：硅管、锗管硅管、锗管（3 3）分类）分类整流二极管整流二极管n一种将

8、一种将交流交流电能转变为电能转变为直流直流电能的电能的半导体器件。半导体器件。 稳压二极管稳压二极管n此二极管是一种直到临界反向击穿此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器电压前都具有很高电阻的半导体器件。件。 发光二极管发光二极管n是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在件早在1962年出现，常用的是发红光、绿光或年出现，常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。而用途也由初时作为指示灯、黄光的二极管。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电

9、视机采光装饰和已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。照明。 光电二极管光电二极管n光电二极管和普通二极管一样，也是由光电二极管和普通二极管一样，也是由一个一个PN结组成的半导体器件，也具有单结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。光电传感器件。 遥控器的遥控作用、空调器面遥控器的遥控作用、空调器面板指示都利用了二极管，二极管起板指示都利用了二极管，二极管起什么作用？二极管的特点是什么？什么作用？二极管的特点是什么？详细分析如下：详细分析如下： (1)

10、 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。PN结呈现低阻性低阻性。图2.2.2外加正向电压时的PN结4、PN结的单向导电性结的单向导电性上页下页 (2) PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压外加的反向电压有一部分降落在有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结结内电场方向相同，内电场方向相同，加强了内电场。加强了内电场。PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 图2.2.3外加反向电压时的PN结上页下页 PN结加正向电压时，呈现低电结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；阻，具有较大的正向扩散电流；PN结结

11、加反向电压时，呈现高电阻，具有很加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。即：加正偏电压导通，加反即：加正偏电压导通，加反偏电压截止。偏电压截止。 P区接电源正极，区接电源正极，N区接电源负区接电源负极，极，PN结导通；反之，结导通；反之，PN结截止。结截止。图图1.5结结图图1.6 例例1.1电路图电路图 例例1.1 图图1.6所示电路中，当开关所示电路中，当开关S闭合后，闭合后，H1、H2两个两个指示灯，哪一个可能发光？指示灯，哪一个可能发光？解解: 由电路图可知，开关由电路图可知，开关

12、S闭合后，只有二极管闭合后，只有二极管V1正极电正极电位高于负极电位，即处于正向导通状态，所以位高于负极电位，即处于正向导通状态，所以H1指示灯指示灯发光。发光。 GV1V2HH1H2如图电路，哪些灯泡可能发亮？如图电路，哪些灯泡可能发亮？V1V2HGH2、H1亮亮灯不亮灯不亮n当晶体二极管的当晶体二极管的 PN 结导通后，则参加结导通后，则参加导电的是（导电的是（ ）。）。 A少数载流子 B多数载流子 C既有少数载流子又有多数载流子nPN 结具有结具有_性能，即：性能，即：加加_电压时电压时 PN 结导通；加结导通；加_电压时电压时 PN 结截止。结截止。当晶体二极管导通后，则硅二极管的当晶

13、体二极管导通后，则硅二极管的正向压降正向压降_为为V，锗二极管的正向，锗二极管的正向压降压降_为为V 将红、黑表笔分别接二极管两端。将红、黑表笔分别接二极管两端。所测电阻小时，黑表笔接触处为负极，所测电阻小时，黑表笔接触处为负极，红表笔接触处为正极。红表笔接触处为正极。 判别二极管的正负极性判别二极管的正负极性 2 2、二极管的简单测试、二极管的简单测试 实践技能（拓宽）实践技能（拓宽） 判别二极管的质量好坏判别二极管的质量好坏(3)(3)若正向电阻约几千欧姆，反向电阻非若正向电阻约几千欧姆，反向电阻非常大，二极管正常。常大，二极管正常。(2)(2)若正反向电阻均非常大，二极管开若正反向电阻均

14、非常大，二极管开路。路。(1)(1)若正反向电阻均为零，二极管短路；若正反向电阻均为零，二极管短路；5、二极管的伏安特性（1）正向特性）正向特性硅管的导通压降为0.6-0.7V,锗管的导通压降为0.2-0.3V。（2）反向特性）反向特性iDOVBR D 当当PN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为然快速增加，此现象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。 电击穿电击穿 热击穿热击穿iDOVBR D （3）反向击穿特性反向击穿特性6、二极管的参数、二极管的参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF二极管长期运行时，允二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均许通过的最大正向平均电流。电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。(2) 反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM 二极管反向击穿时二极管反向击穿时对应的电压值称为反对应的电压值称为反向击穿电压向击穿电压VBR。 为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工