二极管及应用课件

1、1.1 半导体二极管第1页，共42页。1.1 半导体二极管 1.1.1 二极管的结构与特性1.1.2 半导体的基本知识1.1.4 特殊二极管 1.1.3 二极管的特性分析第2页，共42页。1.1.1： 二极管的结构与特性 二极管 = PN结 + 管壳 + 引线NP结构符号阳极+阴极-第3页，共42页。 一、 二极管按结构分三大类：(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。第4页，共42页。(3) 平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。第5页，共42页。

2、二、 判别二极管极性 二极管是有极性的，通常在二极管的外壳上标有二极管的极性符号。标有色道(一般黑壳二极管为银白色标记，玻壳二极管为黑色银白或红色标记)的一端为负极，另一端为正极。如图1.3所示： 图 1.3二极管的极性判别第6页，共42页。二极管的极性也可通过万用表的欧姆挡测定，将万用表打在100 或1k 挡上，由于二极管具有单向导电性，正向电阻小，反向电阻大(这在后续内容会详细分析)，在测试时，若二极管正偏时，则万用表黑表笔所搭位置为二极管的正极，而红表笔所搭为二极管的负极。测试电路如图 1.4 所示。图 1.4 二极管的极性测试电路第7页，共42页。 结论： 二极管正、反向电阻的测量值相

3、差越大越好，一般二极管的正向电阻测量值为几百欧，反向电阻为几十千欧到几百千欧。 如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路； 若测量值均为零，则说明内部短路； 如测得正、反向电阻几乎一样大，这样的二极管已经失去作用，没有使用价值了。第8页，共42页。四、测试二极管的单向导电性图1.5测试电路测试步骤如下：(1) 按图 1.5 的测试电路将器件装在面包板上，并正确连线。(2) 将晶体管稳压电源+5V 电压输出接 LED 正极，负极接地，观察 LED 是否发光并记录。(3) 将电源+5V 输出电压接 LED 负极，正极接地，观察 LED 是否发光并记录。测试结果分析如下：(1) 第一种接法下，L

4、ED 发光，用电流表测试电路中有电流，说明二极管导通。(2) 第二种接法下，LED 不发光，用电流表测试出电流基本为零，说明二极管截止。想一想，为何在上述不同接法下，二极管会出现这样两种不同情况？由于二极管是由半导体组成的。让我们学习一下相关知识。第9页，共42页。1.1.2 半导体的基本知识 在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。第10页，共42页。 本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，

5、因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。一. 本征半导体 本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。第11页，共42页。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴 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，称为空穴。第12页，共42页。 可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。 动画演示 与本征激发相反的现象复合在一定温

6、度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对第13页，共42页。自由电子 带负电荷 电子流动画演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E总电流载流子空穴 带正电荷 空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制第14页，共42页。二. 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1. N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。 第15页，共42页。N型半导体多余电

7、子磷原子硅原子多数载流子自由电子少数载流子 空穴+N型半导体施主离子自由电子电子空穴对第16页，共42页。 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子 空穴少数载流子自由电子P型半导体受主离子空穴电子空穴对2. P型半导体第17页，共42页。杂质半导体的示意图+N型半导体多子电子少子空穴P型半导体多子空穴少子电子少子浓度与温度有关多子浓度与温度无关第18页，共42页。内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层三. PN结及其单向导电性 1 . PN结的形成 第19页，共42页。 动

8、画演示少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流 漂移电流总电流0势垒 UO硅 0.5V锗 0.1V第20页，共42页。2. PN结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场耗尽层变窄扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流I F正向电流 第21页，共42页。(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场耗尽层变宽漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流I RPN 在一定的温度下，由本征激发产生

9、的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。 第22页，共42页。 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。动画演示1 动画演示2第23页，共42页。3. PN结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿烧坏PN结电击穿可逆第24页，共42页。1常用的半导体材料有硅和锗两种，纯净的半导体称为本征半导体。2本

10、征半导体在掺入硼和磷元素后，导电能力将发生很大的变化，分别形成 P 型半导体和 N 型半导体。3P 型半导体和 N 型半导体结合将形成 PN 结，PN 结具有单向导电性。4二极管组成核心是 PN 结，其具有正向导通、反向截至、反向击穿特性。学 习 小 结第25页，共42页。1.1.3 半导体二极管的特性分析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。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N型Si， D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。第26页，共42页。 一 、半导体二极管的VA特性曲线 硅

11、：0.5 V 锗： 0.1 V(1) 正向特性导通压降反向饱和电流(2) 反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗 硅：0.7 V 锗：0.3V第27页，共42页。二. 二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kD非线性器件iuRLC线性器件第28页，共42页。二极管的模型DU串联电压源模型U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的VA特性第29页，共42页。二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：串联电压源模型测量值 9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1k相对误差0.7V第30页，共

12、42页。例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。第31页，共42页。（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot第32页，共42页。02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。第

13、33页，共42页。三. 二极管的主要参数 (1) 最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2) 反向击穿电压UBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。 (3) 反向电流IR 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。第34页，共42页。四. 二极管的主要用途无触点开关整流：交流变直流限幅、拑位作用（数电的理论依据）第35页，共42页。1.1.4 特殊二极管介绍1稳压二极管常见稳压二极管如图 1.6所示。图 1.6 常见稳压二极管图形和文字符号第36页，共42页。

14、稳压工作原理: 在正常情况下稳压管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，因而具有稳压作用。只要反向电流不超过其最大稳定电流，就不会形成破坏性的热击穿，因此，在电路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻。稳压电路第37页，共42页。 稳压二极管的主要 参数 (1) 稳定电压UZ (2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。 rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) 最小稳定工作 电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。 (4) 最大稳定工作电流IZmax 超过Izma

15、x稳压管会因功耗过大而烧坏。第38页，共42页。2发光二极管 发光二极管的实物和图形符号如图 (b)和(c)所示。它是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称 LED(Light Emitting Diode)。（b）发光二极管实物(c) 图形符号第39页，共42页。结构：发光二极管和普通二极管相似，也由一个PN 结组成，结构如图 (a)所示。发光二极管在正向导通时，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同。常见的 LED 有红、绿、黄等颜色。特点与作用：发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力，同时由于发光二极管体积小、可靠性高、耗电省、寿命长，被广泛用于信号指示等电路中。LED的反向击穿电压一般大于5V，但为使器件长时间稳定而可靠的工作，安全使用电压选择在5V以下，同时发光二极管在使用时也需要串联一个适当阻值的限流电阻。第40页，共42页。3光电二极管光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，实物和图形符号如图 所示，只是在它的 PN 结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照，从而实现光