理论教案一半导体二极管及其应用

1、电子技术与实践电子技术与实践 项目一项目一 直流稳压电源分析与调试直流稳压电源分析与调试 理论教案一理论教案一 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用 主讲人：主讲人：张艳阳张艳阳 一、课程介绍一、课程介绍、课程地位与作用、课程地位与作用电子技术与实践1课程是电类专业电类专业的专业基础课专业基础课程程，通过该课程的学习，使学生掌握常用半导体器件和典型集成运放的特性与参数，掌握低频电子线路的组成、工作原理、性能特点、基本分析方法和脉冲电路和数字电路的工作原理、分析方法和设计方法；学会使用常用的电子仪器仪表和工具、识别电路原理图、制作简单的印制板电路；掌握电子产品的装配和调试方法和技能，从而具有

2、一定的电子电路理论知识、实践技能、应用能力及分析问题和解决问题的能力，为学习后续专业课程如单片机系统分析与调试、信号检测与控制等提供必备的电子技术基本知识、基本理论和基本技能。 、课程专业能力目标、课程专业能力目标（1）学会万用表、示波器、信号发生器、直流电源等常用电子仪器的使用方法；（2）学会常用电子元器件的识别与测试；（3）能根据电路原理图及电路板图，选用合适的元器件，正确地组装实用低频电路及实用数字逻辑电路，并学会排除电路的故障；（4）能独立完成电子电路的制作与调试，能分析和查找问题并排除故障并学会实践报告写作；（5）学会独立获取和利用信息，把英语作为分析利用技术资料的辅助工具；（6）能

3、以团队的形式完成“直流稳压电源电路”和“测频电路”工作任务，并能够用正确的专业语言进行沟通。运用正确的方法制定工作计划、时间计划和学习计划。在充分考虑技术安全的前提下，自觉的承担工作任务。、课程考核要求、课程考核要求（）平时成绩(上课+作业) 的比例为30%（）（实验+实践制作)成绩的比例为40%（）笔试成绩的比例为30% 期评成绩期评成绩平时成绩平时成绩+ +（实验（实验+ +实训实训+ +作品作品) )成绩成绩+ +笔试成绩笔试成绩 笔试在下学期预备周考试！笔试在下学期预备周考试！二、半导体基础知识二、半导体基础知识物物质质的的分分类类导体导体导电能力很强导电能力很强。如：金、银、铜等如：

4、金、银、铜等绝缘体绝缘体不导电不导电。如：橡胶、塑料、云母、陶瓷等如：橡胶、塑料、云母、陶瓷等半导体半导体导电弱，介于导体和绝缘体之间导电弱，介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、硒等。如：硅、锗、硒等。（一）（一）半半导导体体特特性性热敏性热敏性导电能力对温度反应灵敏，导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。温度升高，导电能力增强。受温度影响大。温度升高，导电能力增强。利用热敏性可制成热敏元件（如热敏电阻）。利用热敏性可制成热敏元件（如热敏电阻）。光敏性光敏性导电能力随光照的不同而不同，导电能力随光照的不同而不同，当光照增强时，导电能力增强。当光照增强时，导电能力增强。利用光敏性可制成光敏元件（如

5、光敏电阻）。利用光敏性可制成光敏元件（如光敏电阻）。掺杂性掺杂性导电能力受杂质影响极大，在纯导电能力受杂质影响极大，在纯净半导体中只要掺入极微量的杂质（其它净半导体中只要掺入极微量的杂质（其它纯纯净元素净元素），导电能力就急剧增加。由此制成），导电能力就急剧增加。由此制成如二极管、三极管、场效应管等其它器件。如二极管、三极管、场效应管等其它器件。（二）（二）（三）（三）本征半导体本征半导体纯净无掺杂的半导体称为本征半导体。纯净无掺杂的半导体称为本征半导体。制造半导体器件的本征半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。 (1) 共价键结构(2) 电子空穴对 (3) 空穴的移

6、动弄弄清清三三个个问问题题（1 1）共价键结构）共价键结构空间排列有序的晶体 以 硅原子硅原子(Si)为例： (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图 电子空穴对：载流子（Carrier) 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡! 本征激发和复合的过程 （2）电子空穴对 本征激发（热激发） T=0 K时电子(- )空穴(+)复合 (3) 空穴的移动(导电）空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴来实现的（四）（四）杂质半导体杂质半导体（N型半导体、P型半导体）本征半导体缺点？1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！(1) N型半导体(2) P型

7、半导体(3) 杂质对半导体导电性的影响弄弄清清三三个个问问题题 （1）N型半导体（电子型半导体）掺掺 杂杂：施主杂质正离子少量掺入五价杂质元素（如：磷）特特 点：点：多多数载流子子：自由电子（主要由杂质原子提供）少少数载流子子：空穴（ 由热激发形成） （2）P型半导体（空穴型半导体）受主杂质负离子特特 点：点：多子多子：空穴（主要由杂质原子提供）少子少子：电子（ 由热激发形成）掺掺 杂杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）(3) 杂质对半导体 导电性的影响 影响很大。载流子数目剧增 T=300 K室温下,本征硅的 电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4

8、.961022/cm3 3 2掺杂后 N 型半导体中的 自由电子浓度: n=51016/cm3典型数据如下:（五）（五）PNPN结及单向导电性结及单向导电性图01.06 PN结的形成过程1、PN结 形成两种载流子的两种运动达到动态平衡时就形成PN结两种运动：扩散（浓度差） 漂移（电场力）（1）电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移 如图（如图（A）所示。）所示。（2）载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（）载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所）所示示。电流电流I。.空穴空穴 。电子电子（A）电场作用下的漂移运动）电场作用下的漂移运动

9、（B）空穴扩散示意）空穴扩散示意漂移和扩散漂移和扩散PN结形成过程：结形成过程： P N+-+由于接触面载由于接触面载流子运动形成流子运动形成PN结结示意图示意图内电场- +扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动PN结结变窄变窄P N+ - R 外加正向电压示意外加正向电压示意(导电）导电）PN结结变宽变宽P N- + R 外加反向电压示意（截止）外加反向电压示意（截止）正向电流If反向电流IsPN结加正向电压时结加正向电压时电阻很小，电流大电阻很小，电流大。加反向电压时。加反向电压时电阻很大，电流小。电阻很大，电流小。、实质PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻、 单向导电性单向导电性单向导电性

10、单向导电性： PN结正偏时导通（大电流）， PN结反偏时截止（小电流）。 半导体二极管是由一个半导体二极管是由一个PNPN结、两个电极结、两个电极和管壳等三部分构成和管壳等三部分构成结构结构类型类型按材料分类按材料分类按结构分类按结构分类按用途分类按用途分类硅管、锗管硅管、锗管点接触型点接触型普通二极管、整流二极管、开关二极管、发光二普通二极管、整流二极管、开关二极管、发光二极管、光电二极管、稳压二极管、遂道二极管等极管、光电二极管、稳压二极管、遂道二极管等面接触型面接触型硅平面型硅平面型阳极阳极阴极阴极金属支架金属支架正极引线正极引线负极引线负极引线金锑合金金锑合金P P型硅型硅铝合金小球铝

11、合金小球N N型硅片型硅片阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线N N型锗片型锗片金属触丝金属触丝管壳管壳二氧化硅保护层二氧化硅保护层负极引线负极引线阳极引线阳极引线N N型硅型硅P P型硅型硅常用二极管的电路符号常用二极管的电路符号发光二极管发光二极管光电二极管光电二极管二二极极管管的的外外型型面接触型二极管特点：面接触型二极管特点：结面积大、结电容大，允许通过结面积大、结电容大，允许通过较大的电流，较大的电流，适用于低频整流。适用于低频整流。硅平面型二极管特点：硅平面型二极管特点：结面积大的可用于大功率整流；结结面积大的可用于大功率整流；结面积小的，结电容大，面积小的，结电容大，适用于脉冲数字电

12、路，作为开关管适用于脉冲数字电路，作为开关管使用。使用。点接触型二极管特点：点接触型二极管特点：结面积小，因此结电容小，允许通结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，过的电流也小，适用于高频电路的检波或小电流的整流适用于高频电路的检波或小电流的整流。R RWWV VR RDDR RWWV VR RDD伏安特性方程：伏安特性方程：) 1(TSUueIiODOD段段称为正向特性。称为正向特性。OCOC段段，正向电压较小，正向电压较小，正向电流非常小，只有当正向电流非常小，只有当正向电压超过某一数值时，正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这才有明显的正向电流，这个电压称为死区电压，亦个电

13、压称为死区电压，亦称开启电压。称开启电压。CDCD段段，当正向电压大于死区电压后，正向电流近似当正向电压大于死区电压后，正向电流近似以指数规律迅速增长，二极管呈现充分导通状态。以指数规律迅速增长，二极管呈现充分导通状态。1 1 正向特性正向特性ADCBiDuDOUBRA ADDC CB BiDuDo oU UBRBROBOB段称为反向特性。段称为反向特性。这时二极这时二极管加反向电压，反向电流很小管加反向电压，反向电流很小。当温度升高时，半导体中本征激发当温度升高时，半导体中本征激发增加，使少数载流子增多，故反向增加，使少数载流子增多，故反向电流增大，特性曲线向下降。电流增大，特性曲线向下降。

14、3 3 反向击穿特性反向击穿特性BABA段称为反向击穿特性段称为反向击穿特性当二极管外加反向电压大于一定数值时，反向电流当二极管外加反向电压大于一定数值时，反向电流突然剧增，称为二极管反向击穿。突然剧增，称为二极管反向击穿。2 2 反向特性反向特性2CP10 20的伏安特性曲线iDouD-200-10020406080100-10-30-207520(mA)(v)(A)12 材料材料开启电压（开启电压（V）导通电压（导通电压（V）反向饱和电流（反向饱和电流（A）硅（硅（Si） 0.5 0.5 0.61 0.1 0.1锗（锗（Ge） 0.1 0.1 0.20.5 几十几十二极管的伏安特性对温度很

15、敏感，温度升高时，二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移反向特性曲线向下移。参数参数对器件性能的定量描述对器件性能的定量描述器件使用的极限条件（参数）器件使用的极限条件（参数）两大类两大类半导体半导体二极管二极管的主要的主要参数参数最大整流电流最大整流电流IF最大反向工作电压最大反向工作电压UR反向电流反向电流IR最大工作频率最大工作频率fM二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。管子使用时允许加的最大反向电压。管子使用时允许加的最大反向电压。二极管未发生击穿时的反向电流值。二极管未发生

16、击穿时的反向电流值。二极管单向导电作用开始明显退化时的交流信号的频率。二极管单向导电作用开始明显退化时的交流信号的频率。为简化分析计算，在一定的条件下可以近似用为简化分析计算，在一定的条件下可以近似用某些线性电路来等效实际的二极管。某些线性电路来等效实际的二极管。（一）（一）理想二极管理想二极管等效电路等效电路（模型）（模型）当外加正向电压时，二极当外加正向电压时，二极管导通，正向压降管导通，正向压降u uD D=0,=0,相当于开关闭合；相当于开关闭合； iDuD0D特性曲线的近似特性曲线的近似等效电路等效电路当外加反向电压时，二极当外加反向电压时，二极管截止，反向电流管截止，反向电流IR=

17、0，相当于开关断开。相当于开关断开。( (二）考虑二）考虑正向压降正向压降的等效电路（衡压降模型）的等效电路（衡压降模型）DKUD在二极管充分导通且工在二极管充分导通且工作电流不是很大时，可作电流不是很大时，可以近似认为以近似认为U UD D为常数，为常数，用一个直流电压源用一个直流电压源U UDD来等效正向导通的二极来等效正向导通的二极管。管。特性曲线的近似特性曲线的近似等效电路等效电路iDuDUD0说明：说明：锗管的死区电压为锗管的死区电压为0.1V,0.1V,硅管的死区电压为硅管的死区电压为0.4V;0.4V;锗管与硅管相比，具有正向压降低（锗管锗管与硅管相比，具有正向压降低（锗管0.2

18、0.20.3V0.3V，硅管，硅管0.50.50.7V0.7V）、反向饱和漏电流）、反向饱和漏电流大、温度稳定性差等特点。大、温度稳定性差等特点。（三）（三）二极管的命名方法二极管的命名方法国产二极管的命名由国产二极管的命名由5 5部分组成，如下图所示。其中部分组成，如下图所示。其中第二、三部分各字母含义如下表所示。第二、三部分各字母含义如下表所示。 第第 二二 部部 分分第第 三三 部部 分分字字 母母意意 义义字字 母母意意 义义字字 母母意意 义义A AN N型锗材料型锗材料P P普通二极管普通二极管S S隧道二极管隧道二极管B BP P型锗材料型锗材料W W稳压二极管稳压二极管U U光

19、电二极管光电二极管C CN N型硅材料型硅材料Z Z整流二极管整流二极管N N阻尼二极管阻尼二极管D DP P型硅材料型硅材料K K开关二极管开关二极管L L整流堆整流堆附表：附表： 第二、三部分各字母含义第二、三部分各字母含义【举例】【举例】 某二极管的标号为某二极管的标号为2BS212BS21，其含义是：，其含义是：P P型锗材料隧道二极管，如下图所示。型锗材料隧道二极管，如下图所示。（四）二极管的检测（四）二极管的检测万用表使用说明：模拟万用表的黑表笔是万用表内部电源的正极，红表笔则是负极；数字万用表的红表笔是万用表内部电源的正极，黑表笔则是负极；欧姆表的R、 R10、R100、RK档用

20、的内部电源为V，R10K档用的内部电源为V。对于普通二极管的测量：对于普通二极管的测量：(1) 用万用表R100或R1k挡测其正、反向电阻，根据二极管的单向导电性可知，测得阻值小时与黑表笔相接的一端为正极；反之，为负极。若二极管的正、反向电阻相差越大，说明其单向导电性越好。 (2) 若二极管正、反向电阻都很大，说明二极管内部开路；若二极管正、反向电阻都很小，说明二极管内部短路。 (3) 注意:不能用R1挡（内阻小，电流太大）和R10k挡（电压高）测试，否则有可能会在测试过程中损坏二极管。对于稳压二极管的测量对于稳压二极管的测量、稳压二极管介绍、稳压二极管介绍符号、伏安特性和典型应用电路(a)(

21、a)符号利用利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。I（mA)正向电流IfU（V）正向正向0.6反向击穿电压反向击穿电压UZ正向导通电压正向导通电压UD0击穿击穿电流IRPN结结V-A特性特性 曲线曲线IU+UZ电路符号电路符号(c)应用电路(b)(b) 伏安特性工作原理：工作原理：1、正偏时：就是普通二极管。、正偏时：就是普通二极管。Si管管压降为管管压降为0.5-0.7V；Ge管管压降为管管压降为0.2-0.3V。2、反偏时：当电源电压小于、反偏时：当电源电压小于Vz，截止；当电源电压大于等于截止；当电源电压大于等于Vz，则反向击穿导通，稳压，则

22、反向击穿导通，稳压二极管两端电压为二极管两端电压为Vz。主要参数：（1）稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。（2）动态电阻rz（3）最大稳定电流 IZM，由最大耗散功率和稳定电压决定。（4）最大耗散功率 PZM，工作时的功率PZ=IZUZ（5）温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数、稳压二极管的测量：、稳压二极管的测量：用万用表用万用表R R100100或或R R1k1k挡测有其正、反向电阻挡测有其正、反向电阻（SiSi管正向电阻为几百欧几千欧、反向电阻为几百千欧以上；管正向电阻为几百欧几千欧、反向电阻为几百千欧以上；GeGe管正向电阻为几十欧几百欧、反向电阻为几十千欧以管正向电阻为几十欧几百欧、反向电阻为几十千欧以上）上），说明是性能好的二极管，测得阻值小时与黑表笔相，说明是性能好的二极管，测得阻值小时与黑表笔相接的一端为正极；反之，为负极。接的一端为正极；反之，为负极。 如果用万用表如果用万用表R R1 1k k挡测上述二极管的反向电阻，挡测上述二极管的反向电阻，阻值也很小，说明该二极