半导体二极管及其应用 (2)ppt课件

1、一一 半导体二极管及其运用半导体二极管及其运用 1 1半导体根底知识半导体根底知识2 2半导体二极管半导体二极管3 3二极管电路分析与运用二极管电路分析与运用4 4特殊二极管特殊二极管5 5二极管的型号与检测二极管的型号与检测6 6小结小结1.1半导体的主要特性半导体的主要特性 1.2 PN 结结1.1半导体的主要特性半导体的主要特性 半导体半导体 导电才干介于导体和绝缘体之间的物质。导电才干介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯真的半导体。如硅、锗单晶体。纯真的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子 自在运动的带电粒子。自在运动的带电粒子。共价键共价键 相邻原子共有价电子所构成的

2、束缚。相邻原子共有价电子所构成的束缚。+4+4+4+4硅硅( (锗锗) )的原子构造的原子构造Si2 8 4Ge2 8 18 4简化简化模型模型+4惯性核惯性核硅硅( (锗锗) )的共价键构造的共价键构造价电子价电子自自由由电电子子( (束缚电子束缚电子) )空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内挪动价键内挪动1、本征半导体、本征半导体复复 合：合：自在电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消自在电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消逝的过程。逝的过程。漂漂 移：移：自在电子和空穴在电场作用下的定向运动。自在电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键在室温或光照

3、下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自在电子，并在共价键中留下一个空位的束缚成为自在电子，并在共价键中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。两种载流子两种载流子电子电子(自在电子自在电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自在电子自在电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动 结论：结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电才干弱，并与温度有关。本征半导体导电才干弱，并与温度

4、有关。两种载流子两种载流子2、杂质半导体、杂质半导体1N 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自在电子自在电子电子为多数载流子电子为多数载流子空穴为少数载流子空穴为少数载流子载流子数载流子数 电子数电子数空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数施主施主离子离子施主施主原子原子受主受主离子离子受主受主原子原子P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴电子为多数载流子电子为多数载流子空穴为少数载流子空穴为少数载流子载流子数载流子数 电子数电子数空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数施主施主离子离子施主施主原子原

5、子受主受主离子离子受主受主原子原子2P 型半导体型半导体1.2 PN 结结1、PN 结的构成结的构成1. 载流子的浓度差引起多子的分散载流子的浓度差引起多子的分散2. 复合使交界面构成空间电荷区复合使交界面构成空间电荷区( (耗尽层耗尽层) ) 空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子， 阻止分散进展，阻止分散进展，利于少子的漂移。利于少子的漂移。3. 分散和漂移到达动态平衡分散和漂移到达动态平衡分散电流分散电流 等于漂移电流，等于漂移电流， 总电流总电流 I = 0。内建电场内建电场PN 结构成结构成2、PN 结的单导游电性结的单导游电性1 外加正向电压外加正向电压(正向偏置正向偏置

6、)P 区区N 区区内电场内电场+ UR外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结挪动结挪动,中和部分离子使空间电荷区变窄。中和部分离子使空间电荷区变窄。 IF限流电阻限流电阻分散运动加强构成正向电流分散运动加强构成正向电流 IF 。IF = I多子多子 I少子少子 I多多子子2 外加反向电压外加反向电压(反向偏置反向偏置)P 区区N 区区 +UR内电场内电场外电场外电场外电场使少子背叛外电场使少子背叛 PN 结挪动，结挪动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单导游电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单导游电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似

7、为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强构成反向电流漂移运动加强构成反向电流 IRIR = I少子少子 0PN 结正向偏置分析结正向偏置分析PN 结反向偏置分析结反向偏置分析半导体为什么能导电半导体为什么能导电?半导体根底知识小结半导体根底知识小结半导体为什么能导电半导体为什么能导电?(动画演示动画演示)2.1 二极管的构造二极管的构造2.2 二极管的主要特性二极管的主要特性2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数2.1 二极管的构造二极管的构造构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管(Diode)符号：符号： A(anode)(anode)C (ca

8、thode)(cathode)分类：分类：按资料分按资料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按构造分按构造分点接触型点接触型面接触型面接触型点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金平面型平面型正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底2.2 二极管的主要特性二极管的主要特性1、正向特性与反向特性、正向特性与反向特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth

9、 = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (锗管锗管) )U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU (BR)反向击穿反向击穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅硅) 几十几十 A (锗锗)U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大( (反向击穿反向击穿) )二极管的单导游电性二极管的单导游电性反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿 PN 结未损坏，断电即恢复。结未损坏，断电即恢复。 PN 结烧毁。结烧毁。2、反向击穿电压、

10、反向击穿电压 齐纳击穿：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压击穿电压 6 V 6 V，正温度系数，正温度系数) )击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020二极管的伏安特性二极管的伏安特性3、温度对二极管特性的影响、温度对二极管特性的影响604020 0.0200.4255

11、0iD / mAuD / V20C90CT 升高时，升高时，UD(on)以以 (2 2.5) mV/ C 下降下降2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1. IF 最大整流电流最大整流电流(最大正向平均电流最大正向平均电流)2. URM 最高反向任务电压，为最高反向任务电压，为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流反向电流(越小单导游电性越好越小单导游电性越好)4. fM 最高任务频率最高任务频率(超越时单导游电性变差超越时单导游电性变差)iDuDU (BR)I FURMO影响任务频率的缘由影响任务频率的缘由 PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论：1. 低频时，因结电容很小，对低频

12、时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。结影响很小。 高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向 导电性变差。导电性变差。2. 结面积小时结电容小，任务频率高。结面积小时结电容小，任务频率高。3.1 理想二极管理想二极管3.2 二极管的运用电路二极管的运用电路3.1 理想二极管理想二极管1、理想模型、理想模型特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD = 0；反偏截止，；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 2、恒压降模型、恒压降模型uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)UD

13、(on)3、折线近似模型、折线近似模型uDiDUD(on)UIIUr D斜率斜率1/ rDrDUD(on)例例1.1 二极管电路如下图，试判别图中的二极管是导通还二极管电路如下图，试判别图中的二极管是导通还是截止，并求出是截止，并求出AO两端电压两端电压VAO。设二极管是理想的。设二极管是理想的。 解解: 图图a：将：将D断开，以断开，以O点为电位参考点，点为电位参考点，D的阳极电位为的阳极电位为6 V，阴极电位为，阴极电位为12 V，故，故 D处于正向偏置而导通，处于正向偏置而导通，VAO=6 V。 图图b：D的阳极电位为的阳极电位为15V，阴极电位为，阴极电位为12V，D对被对被反向偏置而

14、截止，反向偏置而截止，VAO12V。 图图c：对：对D1有阳极电位为有阳极电位为 0V，阴极电位为，阴极电位为12 V，故，故D1导导通，以后使通，以后使D2的阴极电位为的阴极电位为 0V，而其阳极为，而其阳极为15 V，故，故D2反反偏截止，偏截止，VAO=0 V。 图图d：对：对D1有阳极电位为有阳极电位为12 V，阴极电位为，阴极电位为0 V，对，对D2有阳有阳极电位为极电位为12 V，阴极电位为，阴极电位为6V故故D2更易导通，以后使更易导通，以后使VA6V；D1反偏而截止，故反偏而截止，故VAO6V。理想的。理想的。 3.2 二极管的运用电路二极管的运用电路1.1.整流电路整流电路D

15、+-+-RuOui当当ui 0V时，时，D导通，那么导通，那么uO=ui当当ui 0V时，时，D截止，那么截止，那么uO=0V 由此，利用二极管的单导由此，利用二极管的单导游电性，实现了半波整流。游电性，实现了半波整流。 假设输入信号为正弦波：假设输入信号为正弦波： VOt0uit0uO例例 1.2 画出硅二极管构成的桥式整流电路在画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui = 15sin t (V) 作用下输出作用下输出 uO 的波形。的波形。( (按理想模型按理想模型) )RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/ V15Otui / V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S

16、4假设有条件，假设有条件，可切换到可切换到 EWB 环境环境察看桥式整流波形。察看桥式整流波形。2. 限幅电路限幅电路 整流限幅作用整流限幅作用 V, 限幅电平为限幅电平为V。ui时二极管导通时二极管导通, uoV；uiV, 二极管截止二极管截止, uoui。波形如图。波形如图(a)所示。所示。 假设假设Um, 那么限幅电平为。那么限幅电平为。ui, 二极管截止二极管截止, uoui；ui, 二极管导通二极管导通, uo。波形图如图波形图如图 ()所示。所示。 假设假设m, 那么限幅电平为那么限幅电平为E, 波形图波形图如图如图 ()所示。所示。 例例1.3 二极管双向限幅电路如下图，二极管双

17、向限幅电路如下图，设设ui10sint (V)，二极管为理想器件，试，二极管为理想器件，试画出输出画出输出ui和和uo的波形。的值。的波形。的值。解解: ui正半周时，正半周时，V2截止。当截止。当ui 6V时，时，V2截止，截止，uO = ui 。波形可画出如下图。波形可画出如下图。 V2uiV1时，时，D1、D2截止截止,uo=ui t0uiui V1时，时，D1导通、导通、D2截止截止,uo=V1 ui V2时，时，D2导通、导通、D1截止截止,uo=V2 由此由此 ，电路实现双向限幅功能。，电路实现双向限幅功能。uOui+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：其中：V1为上限幅电平，

18、为上限幅电平， V2为下限幅电平。为下限幅电平。例例1.4 限幅电路限幅电路(或削波电路或削波电路如图如图,画输出波形。画输出波形。t0uOV2V13.门电路门电路 图示为二极管与门电路。图示为二极管与门电路。 当输入端当输入端A与与B同时为高同时为高电平电平“1+5 V时，时， 二二极管极管D1、 D2均截止，均截止，R中中没有电流，其上的电压降没有电流，其上的电压降为为0 V，输出端，输出端L为高电平为高电平“1+5 V； 当当A、 B中任何一端为低电平中任何一端为低电平“00 V或或A、 B端同时为低电平端同时为低电平“0时，时， 二极管二极管D1、D2的导通使的导通使输出端输出端L为低

19、电平为低电平“00.7 V。 即输入与输出信号形状满足即输入与输出信号形状满足“与逻辑关系。实与逻辑关系。实现现 “与逻辑关系的电路称为与逻辑关系的电路称为“与门。与门。 例例 1.5 二极管构成二极管构成“门电路，设门电路，设 V1、V2 均为理均为理想二极管，当输入电压想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压为低电压 0 V 和和高电压高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压 UO 的值。的值。UAUBUOR3 kW12 VVDDV1V2BAY输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压U UA AU UB BV V1 1V V2 20 V0 V正偏正偏导

20、通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V理想二极管：理想二极管：正偏导通，电压降为零，相当于开关合上；正偏导通，电压降为零，相当于开关合上；反偏截止，电流为零，相当于开关断开。反偏截止，电流为零，相当于开关断开。恒压降模型：恒压降模型：正偏电压正偏电压 UD(on) 时导通，等效为恒压源时导通，等效为恒压源 UD(on)；否那么截止，相当于二极管支路断开。否那么截止，相当于二极管支路断开。4特殊二极特殊二极管管4.1 稳压二极管稳压二极管4.2 发光二极管发

21、光二极管4.1 稳压二极管稳压二极管1. 稳压特性稳压特性符号符号任务条件：任务条件：反向击穿反向击穿iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性2. 根本参数根本参数1)稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。2)稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好， 小于小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3)最大任务电流最大任务电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4)动态电阻动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几

22、几 几十几十 3. 分析简单稳压电路的任务原理，分析简单稳压电路的任务原理，R 为限流电阻。为限流电阻。IR = IZ + ILUO= UI IR R当当 UI 动摇时动摇时(RL不变不变) ORZOL UIIUR IU OU ZI RI OU反之亦然反之亦然当当 RL 变化时变化时(UI 不变不变)反之亦然反之亦然UIUORRLILIRIZ4.2 发光二极管发光二极管1.发光二极管发光二极管 LED1)符号和特性符号和特性任务条件：正向偏置任务条件：正向偏置普通任务电流几十普通任务电流几十 mA， 导通电压导通电压 (1 2) V2)主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM ，U(BR)

23、 ，IR光学参数：峰值波长光学参数：峰值波长 P，亮度，亮度 L，光通量，光通量 发光类型：发光类型：可见光：红、黄、绿可见光：红、黄、绿显示类型：显示类型： 普通普通 LED ，不可见光：红外光不可见光：红外光，点阵，点阵 LED符号符号u /Vi /mAO2特性特性七段七段 LED点式点式LED字段式字段式LED点阵式点阵式LED光柱式光柱式LEDLED 的类型的类型2.光敏二极管光敏二极管1)1)符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E = 200 lxE = 400 lx任务条件：任务条件：反向偏置反向偏置2)主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高任务

24、范围暗电流，光电流，最高任务范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片 构造与普通二极管类似，只是在管壳上留有一构造与普通二极管类似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的窗口。个能使光线照入的窗口。补充：选择二极管限流电阻补充：选择二极管限流电阻步骤：步骤：1. 设定任务电压设定任务电压(如如 0.7 V；2 V (LED)；UZ )2. 确定任务电流确定任务电流(如如 1 mA；10 mA；5 mA)3. 根据欧姆定律求电阻根据欧姆定律求电阻 R = (UI UD)/ ID(R (R 要选择标称值要选择标称值) )RUIUDID5二极管的型号与

25、检测二极管的型号与检测5.1二极管的型号与参数选录二极管的型号与参数选录5.2二极管的识别与检测二极管的识别与检测5.1 二极管的型号与参数选录二极管的型号与参数选录国产二极管的型号由五个部分组成。其型号组成部分的符号国产二极管的型号由五个部分组成。其型号组成部分的符号及其意义见表及其意义见表11。2AP92AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的资料，代表器件的资料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表

26、二极管，3代表三极管。代表三极管。第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字表示器件电极的数目用汉语拼音字母表示器件的材料和极性用汉语拼音字母表示器件的类型用数字表示器件序号用汉语拼音表示规格的区别代号符号意义符号意义符号意义符号意义23二极管三极管ABCDABCDEN型，锗材料P型，锗材料N型，硅材料P型，硅材料PNP型，锗材料NPN型，锗材料PNP型，硅材料NPN型，硅材料化合物材料PVWCZLSNUKXG普通管微波管稳压管参量管整流管整流堆隧道管阻尼管光电器件开关管低频小功率管（fm3MHz,PC1W）高频小功率管(fm 3MHz,PC1W）DATYBJCSBTFHPINJG低频大功

27、率管(fm3MHz,PC1W)高频大功率管(fm 3MHzPC1W）半导体闸流管(可控硅整流器)体效应器件雪崩管阶跃恢复管场效应器件半导体特殊器件复合管PIN型管激光器件表表1-11-1国产半导体分立器件型号命名法国产半导体分立器件型号命名法 参数 型 号最大整流电流/mA正向电流/mA正向压降(在左栏电流值下)/V反向击穿电压/V最高反向工作电压/V反向电流/A零偏压电容/pF反向恢复时间/ns2AP9162.5140202501fH(MHz)1502AP751501002AP1125101102501fH(MHz)402AP171510100表表1 12 2部分半导体二极管参数部分半导体二

28、极管参数 1部分常用检波二极管参数 参数型号最大整流电流/mA正向电流/mA正向压降(在左栏电流值下)/V反向击穿电压/V最高反向工作电压/V反向电流/A零偏压电容/pF反向恢复时间/ns2CZ52BH20.1125 600同2AP普通二极管2CZ53BM60.3150 10002CZ54BM100.5150 10002CZ55BM201150 10002CZ56B6530.8252部分整流二极管参数测试条件 参数型号工作电流为稳定电流稳定电压下环境温度50oC稳定电流下稳定电流下环境温度10oC稳定电压/V稳定电流/mA最大稳定电流/mA反向漏电流动态电阻/电压温度系数/10-4/oC最大耗

29、散功率/W2CW512.53.51071560-90.252CW523.24.555270-82CW5345.841150-642CW545.56.5380.530-352CW5678.8271572CW578.59.8262082CW591011.85203092CW6011.512.5194092CW10345.850165120-6412CW11011.512.520760.52092CW113161910520.540112CW1A5302402012CW6C153070812CW7C6.06.51030100.050.23 3常用稳压二极管的主要参数常用稳压二极管的主要参数 5.2 二极管的识别与检测二极管的识别与检测1. 目测判别极性目测判别极性触丝触丝半导体片半导体片2. 用万用表检测二极管用万用表检测二极管在在 R 1 k 挡进展丈量，挡进展丈量，红表笔是红表笔是(表内电源表内电源)负极，负极，黑表笔是黑表笔是(表内电源表内电源)正极。正极。丈量时手不要接触引脚。丈量时手不要接触引脚。(1)(1)用指针式万用表检测用指针式万用表检测普通硅管正向电阻为几千普通硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。欧，锗管正向电阻为几百欧。正反向电阻相差不大为劣正反向电