二极管及其应用PPT学习教案

1、会计学1二极管及其应用二极管及其应用半导体的基本知识半导体二极管的特性及参数半导体二极管模型特殊二极管二极管的应用二极管的检测方法第1页/共63页什么是半导体什么是半导体 物质按导电能力强弱不同可分为物质按导电能力强弱不同可分为导体、绝缘体和半导体、绝缘体和半导体导体三大类。三大类。 导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质目前制造半导体器件用得最多的是目前制造半导体器件用得最多的是硅硅和和锗锗两种材料两种材料 1 半导体二极管2.2.半导体的导电特性半导体的导电特性（1）热敏特性）热敏特性 （2）光敏特性）光敏特性 （3）掺杂特性）掺杂特性 第2页/共63

2、页第3页/共63页 4(a) 32(b) 4 14图1 原子结构示意图 (a)硅 (b)锗 第4页/共63页图2 本征半导体的共价键结构第5页/共63页第6页/共63页 当T=0K和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子本证激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征激发动画1空穴空穴返回第7页/共63页+4+4+4+4+4+

3、4+4+4+4+4+4+4（1）N型半导体型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 )多余电子，多余电子，成为自由电子成为自由电子+5自由电子自由电子 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体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。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。返回+5第8页/共63页N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对第9页/共63页+4+4+4+4+4

4、+4+4+4+4+4+4+4+3在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴空穴空穴空穴返回第10页/共63页 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2. 2. P型半导体型半导体第11页/共63页杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度

5、多子浓度与温度无关与温度无关第12页/共63页图 5 载流子的扩散 图 6 PN 结的形成+P型半导体+N型半导体+第13页/共63页6. PN结的单向导电性结的单向导电性a) b)图图2 PN结单向导电性实验电路结单向导电性实验电路a)PN结加正向电压结加正向电压 b) PN结加反向电压结加反向电压PN结电阻很小PN结电阻很大发光不发光第14页/共63页PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄

6、 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流第15页/共63页(2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下在一定的温度下，由本征激发产生，由本征激发产生的少子浓度是一定的少子浓度是一定

7、的，故的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无关，所以称为所以称为反向饱反向饱和电流和电流。但。但IR与温度与温度有关。有关。 第16页/共63页结论结论:PN结加正向电压结加正向电压“正向偏置正向偏置” ，简称，简称“正偏正偏”P区接电源正极，区接电源正极，N区接电源负极区接电源负极PN结电阻很小，正向导通结电阻很小，正向导通（2）PN结加反向电压结加反向电压“反向偏置反向偏置” ，简称，简称“反反偏偏”P区接电源负极，区接电源负极，N区接电源正极区接电源正极PN结电阻很大，反向截止结电阻很大，反向截止第17页/共63页二、半导体二极管二、半导体二极管二极管的结构、图形符

8、号和型号二极管的结构、图形符号和型号（1）结构和图形符号）结构和图形符号管壳PN结 a) b)图图3 二极管的结构和图形符号二极管的结构和图形符号a)结构结构 b)图形符号图形符号第18页/共63页图图4 几种常见二极管的外形几种常见二极管的外形第19页/共63页第20页/共63页 二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于大电流整流电路。第21页/共63页三、三、二极管的伏安特性二极管的伏安特性 加在二极管两端的电压与通过二极管电流之间的关系称为二极管的伏安特性 ，可用曲线表示

9、。图图5 二极管的伏安特性二极管的伏安特性第22页/共63页（1）正向特性）正向特性指二极管加正向电压（二极管正极接高电位，负极接低电位）时的特性。 当正向电压小于某一数值（该电压称为“死区电压死区电压”或“门坎电压门坎电压”，硅管硅管为，为，锗管锗管为为）时，通过二极管的电流很小几乎为零。当正向电压超过死区电压时，电流随电压的升高而明显的增加，此时二极管进入导通状态。二极管导通后二极管两端的电压几乎不随电流的大小而变化，此时二极管两端电压称为导通管压降导通管压降，用UT表示，硅管硅管为为，锗管锗管为为。第23页/共63页 二极管加正向电压时并不一定能导通，必须是正向电压达到和超过死区电压时，

10、二极管才能导通。 注意：注意：第24页/共63页（2）反向特性）反向特性二极管加反向电压（二极管正极接低电位，负极接高电位）时的特性。 当反向电压小于某值（此电压称为反向击穿电压反向击穿电压UBR）时反向电流很小，并且几乎不随反向电压而变化，该反向电流叫“反向饱和电流反向饱和电流”，简称“反向电流反向电流”，用IR表示。通常硅管硅管的反向电流在几十微安以下几十微安以下，锗管锗管的反向电流可达几百微安几百微安。在应用时反向电流越小，二极管的质量越好。 当反向电压增加到反向击穿电压UBR时，反向电流急剧增大，这种现象称为“反向击穿反向击穿”。反向击穿破坏了二极管的单向导电性，如果没有限流措施，二极

11、管可能因电流过大而损坏。第25页/共63页注意：注意： 二极管加反向电压时不能导通，但反向电压达到反向击穿电压（很高的反向电压）时，二极管会反向击穿。 在使用二极管时，电路中应该串联适当的限流电阻，以免因电流过大而损坏二极管。第26页/共63页二极管的伏安特性方程：(1)DTvVDSiIesIDv式中：为反向饱和电流，为二极管两端的电压TV为温度的电压当量,当T=300K时,TV=26mV第27页/共63页DTvVDSiI e(1)正向特性正向特性 (2)反向特性反向特性DSiI 第28页/共63页表表1 二极管的型号各组成部分的含义二极管的型号各组成部分的含义第一部分（数字）第一部分（数字）

12、第二部分第二部分(拼音拼音)第三部分第三部分(拼音拼音)第四部分第四部分(数字数字)第五部分第五部分(拼音拼音)电极数材料和极性类型序号规格号（表示反向峰值电压的档次）符号意义符号意义符号意义2二极管AN型锗材料P普通管BP型锗材料W稳压管CN型硅材料Z整流管DP型硅材料U光电管K开关管C参量管L整流堆S隧道管例如2AP7表示N型锗普通二极管，2DZ56C表示P型硅整流二极管，规格号为C。四、二极管的使用常识1、二极管的型号第29页/共63页半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。

13、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。代表器件的材料，代表器件的材料，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，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。第30页/共63页RMUBR的一半。第31页/共63页 半导体二极管的半导体二极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V(1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiV

14、uA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：第32页/共63页MfMf（3） 最大反向电流最大反向电流 IR第33页/共63页3、二极管的直流电阻和交流电阻 （1）直流电阻RDIURDIUrd（2）交流电阻rdddIr26由PN结方程也可求第34页/共63页a)正向导通正向导通 b)反向截止反向截止图图5 指针型万用表测试二极管指针型万用表测试二极管若两次测得的阻值均很小或为若两次测得的阻值均很小或为0，表明管子内部已经短路；若两次测得的，表明管子内部已经短路；若两次测得的阻值都极大，则表明管子内部已经断路或烧坏；若测得的反向电阻与正向电阻值都极大，则表明管子内部已经断路或烧坏；若测得的反向电阻与正

15、向电阻相差不大，则说明管子的反向漏电过大，失去了单向导电性。阻相差不大，则说明管子的反向漏电过大，失去了单向导电性。 第35页/共63页第36页/共63页第37页/共63页(a)伏安特性曲线 (b)代表符号(c)正向偏置时的电路模型 (d)反向偏置时的电路模型图13 理想模型第38页/共63页 图14 例1电路第39页/共63页一 整流电路 1 、 作用作用:把交流电转换成脉动直流电把交流电转换成脉动直流电. 半波整流半波整流 2、分类、分类: 全波整流全波整流 桥式整流桥式整流 倍压整流倍压整流3 半导体二极的应用半导体二极的应用第40页/共63页 单相半波整流电路如图(a)所示波形图如图（

16、b)所示。(a)电路图 (b)波形图 单相半波整流电路第41页/共63页 根据图可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为2202LO45. 02)d(sin221UUttUUUL2L2oD45. 02RURUII流过负载和二极管的平均电流为2Rmax2UU二极管所承受的最大反向电压第42页/共63页 2、桥式整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路）组成：由四个二极管组成桥路+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4u2正半周时正半周时: :D1 、D3导通导通， D2、D4截止截止+（2）工作原理：）工作原理：u2ttuL第

17、43页/共63页+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4-+u2负半周时：负半周时： D2、D4 导通导通， D1 、D3截止截止u2ttuL第44页/共63页输出电压平均值：输出电压平均值：Uou2输出电流平均值输出电流平均值:Io= Uo/Ro= u2 / RL 流过二极管的平均电流：流过二极管的平均电流：ID=Io/2u2ttuL（3）主要参数：）主要参数：二极管承受的最大反向电压：二极管承受的最大反向电压：URM=22u+41232+43DuuDDL21LDR-第45页/共63页集成硅整流桥：集成硅整流桥：u2uL+ +- +第46页/共63页io + uo= uc RL

18、V1V4V3V2+u 二二 滤波电路滤波电路电容滤波电容滤波V 导通时给导通时给 C 充电，充电，V 截止时截止时 C 向向 RL 放电放电； 电路和工作原理电路和工作原理滤波后滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。的波形变得平缓，平均值提高。电容电容充电充电电容电容放电放电C电容滤波电路第47页/共63页2. 波形及输出电压波形及输出电压2O2U U 当当 RL = 时：时：O tuO 2 22U当当 RL 为有限值时：为有限值时：2O229 . 0UUU 通常取通常取 UO = 2U2RC 越大越大 UO 越大越大2)53(LTCR RL = 为获得良好滤波效果，一般取：为获得良好滤波

19、效果，一般取：( (T 为输入交流电压的周期为输入交流电压的周期) )第48页/共63页 元件选择元件选择 (1) 电容选择电容选择: 滤波电容滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常的大小取决于放电回路的时间常数数, RLC愈大愈大, 输出电压脉动就愈小输出电压脉动就愈小, 通常取通常取RLC为脉动电压中为脉动电压中最低次谐波周期的最低次谐波周期的35倍倍, 即即TCTCRRLL)53(2)53(（桥式、全波） （半波） (2) 整流二极管的选择。 正向平均电流为 IIIIOVOV21第49页/共63页例：例： 单相桥式电容滤波整流，交流电源频率单相桥式电容滤波整流，交流电源频率 f = 50

20、 Hz，负载负载电阻电阻 RL = 40 ，要求直流输出电压，要求直流输出电压 UO = 20 V，选择，选择整流二整流二极管极管及及滤波电容。滤波电容。 解解 选二极管选二极管V 172 . 1202 . 1O2 UU2RM2UU 选二极管应满足选二极管应满足：IF (2 3) ID可选：可选：2CZ55C( (IF = 1 A，URM = 100 V) )或或 1 A、100 V 整流桥整流桥电流平均值：电流平均值： A0.2540 20212121LOOD RUII承受最高反压承受最高反压：V 2422RM UU2. 选滤波电容选滤波电容s 02. 05011 fTs 04. 024 L

21、 TCR取取F 0001 40s 0.04 C可选可选： 1 000 F，耐压，耐压 50 V 的电解电容。的电解电容。第50页/共63页分析题：分析题：单相桥式整流电容滤波电路，已知变压器付边电压为单相桥式整流电容滤波电路，已知变压器付边电压为20V，负载，负载RL为为10K，（1）当电路正常时，用万用表测得电路的输出电压应为多少？）当电路正常时，用万用表测得电路的输出电压应为多少？（2）若用万用表测得电压为）若用万用表测得电压为28V，则电路故障何在？，则电路故障何在？（3）若用万用表测得电压为若用万用表测得电压为18V，则电路故障何在？，则电路故障何在？（4）若用万用表测得电压为）若用万

22、用表测得电压为20V，则电路故障何在？，则电路故障何在？（4）若用万用表测得电压为）若用万用表测得电压为9V，则电路故障何在？，则电路故障何在？（5）若测得负载上的电压为）若测得负载上的电压为0，如何分析？，如何分析？第51页/共63页4特殊二极管特殊二极管 稳压管稳压管变容二极管变容二极管光电二极管光电二极管发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管第52页/共63页4.1 稳压管稳压管一、硅稳压管及其伏安特性一、硅稳压管及其伏安特性符号符号工作条件：工作条件： 反向击穿后具有稳压特性反向击穿后具有稳压特性a k特性特性IUOUZIZminIZM UZ IZ IZ+ +特点：特点：* 正向特性

23、与普通二极相同正向特性与普通二极相同* 反向击穿特性较陡反向击穿特性较陡* 反向击穿电压反向击穿电压 几几 几十几十V， 在允许范围内为电击穿在允许范围内为电击穿第53页/共63页二、主要参数二、主要参数 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. 最大工作电流最大工作电流 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

24、好。几几 几十几十 IUOUZIZminIZM UZ IZ IZ第54页/共63页第55页/共63页5. 稳定电压温度系数稳定电压温度系数 CT%100ZZTV TUUC一般，一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 ( (为雪崩击穿为雪崩击穿) )具有正温度系数；具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小。很小。表表4.1 几种硅半导体稳压二极管的主要参数几种硅半导体稳压二极管的主要参数 参数参数型号型号UZ / VIZ / mAIZM / mArZ / CTV/ (%/C)PZM/ W2CW552CW712DW7A*6.2 7.535 405.8 6.61031033630

25、15 100 25 0.06 0.10 0.050.250.250.25第56页/共63页具有温度补偿的具有温度补偿的2DW系列系列123正温度正温度系数系数负温度负温度系数系数2DW1 2 3对应对应正极正极三、使用稳压管注意事项三、使用稳压管注意事项必须工作在反向偏置必须工作在反向偏置(利用正向特性稳压除外利用正向特性稳压除外)。工作电流应在工作电流应在 IZ 和和 IZM之间。之间。串联使用时，稳压值等于各管稳压值之和。串联使用时，稳压值等于各管稳压值之和。 不能并联使用，以免因不同管子稳压值的差不能并联使用，以免因不同管子稳压值的差异造成电流分配不均匀，引起管子过载损坏。异造成电流分配不均匀，引起管子过载损坏。第57页/共63页三、使用注意事项三、使用注意事项 稳压时必须稳压时必须反反向向偏偏置；置；2. 必须串接必须串接限流限流电阻，以保证电阻，以保证 IZ I IZM。3. 反向击穿电压较普通二极管小，反向击穿电压较普通二极管小， 几几 几十几十V。串联使用时稳压值为各管稳压值之和；串联使用时稳压值为各