二极管及其应用电路

1、半导体二极管及其应用电路半导体的特性自然界中的各种物质，按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。半导体导电能力介于 导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性（当守外界热和光的作用时，它的导电能力明 显变化）和掺杂性（往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显变化）。利用 光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用 掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，例如二极管、三极管、场效应管等。半导体的共价键结构在电子器件中，用得最多的材料是硅和错，硅和错都是四价元素，最外层原子轨道上具有4 个电子，称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束

2、缚,而且还与周围相邻的 4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动，另一方面也时常出现在相邻原 子所属的轨道上。这样，相邻的原子就被共有的价电子联系在一起，称为共价键结构。当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧价 电子从外界获得一定的能量，少数价电子会挣脱共价键的束缚，成为自由电子,同时在原来共 价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴，自由电子和空穴是成对出现的,所以称 它们为电子空穴对。在本征半导体中，电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作 用下，本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发，又称为热激发。由于共价键中出现了空

3、位，在外电场或其他能源的作用下,邻近的价电子就可填补到这 个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新 的空位上。为了区别于自由电子的运动，我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空 穴是一种带正电荷的载流子，它所带电荷和电子相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存 在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子一一电子。本征半导体在外电场 作用下，两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。本征半导体的导电能力取决于 载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度时 影响半导体性能的一个重要的外部因素。杂质半导体

4、1）N型半导体（电子半导体）：在纯净的半导体硅（或错）中掺入微量五价元素（如 磷）后，就可成为N型半导体。在这种半导体中，自由电子数远大于空穴数，导电以电子为主, 故此类半导体亦称电子型半导体。2）P型半导体（空穴半导体）：在硅（或错）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼 （或铟）等。硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空穴。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具有导电性能。在P型 半导体中,空穴数远远大于自由电子数，空穴为多数载流子（简称“多子”）,自由电子为少数载流 子（简称“少子”）。导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴型半导体。空穴得

5、到电子带正 电。PN结及其单向导电特性4.1. PN结的形成在一块完整的晶片上，通过一定的掺杂工艺，一边形成P型半导体，另一边形成N型半 导体。在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层，称为空间电荷区，并产生内电场,其方向 是从N区指向P区，内电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动,随着内电场的加强,多子的 扩散运动逐步减弱，直至停止，使交界面形成一个稳定的特殊的薄层，即PN结。因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此空间电荷区又称为耗尽 层。4.2. PN结的单向导电特性在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。4.2.1） PN结正向偏置：给PN结加正向偏置

6、电压，即P区（空穴）接电源正极,N区（电子）接电源负极,此时称PN结为正向偏置（简称正偏），由于外加电源产生的外电场的方 向与PN结产生的内电场方向相反，削弱了内电场，使PN结变薄，有利于两区多数载流子向对 方扩散，形成正向电流，此时PN结处于正向导通状态。4 .2.2） PN 结 反 向 偏 置给P 变厚 * NII电子 ：000：O0011I（少数）;0OO;OOO、0 空穴* ：000：eoo （少数）p Y N内电场P N 外电场IIIPN结加反向偏置电压，即N区接电源正极,P区接电源负极，称PN结反向偏置（简称反偏），由 于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场，使PN结加宽，

7、阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下，只有少数载流子形成的很微弱的电流，称为反向电流。综上所述,PN结具有单向导电性，即加正向电压时导通，加反向电压时截止。正偏时是多 数载流子载流导电，反偏时是少数载流子载流导电。所以，正偏电流大，反偏电流小，PN 结显示出单向电性。特别是要重点说明，反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的， 甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。为什么呢？大家知道PN结内部存在有 一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场，而内电场的作用方向（NP）总是阻碍多数 载流子的正向通过，所以，多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用，需要 约0.7伏的外加电压，这是

8、PN结正向导通的门电压。而反偏时，内电场在电源作用下会被 加强也就是PN结加厚，少数载流子反向通过PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过 PN结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻碍作 用，甚至还会有帮助作用。这就导致了以上我们所说的结论：反偏时少数载流子反向通过 PN结是很容易的，甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。这个结论可以很好 解释三极管在饱和状态下，集电极电位很低甚至会接近或稍低于基极电位，集电结处于零 偏置，但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic产生。半导体二极管的结构、符号及类型5.1 .结构符号：二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图

9、5.1所示，在图5.1（b）所 示电路符号中，箭头指向为正向导通电流方向。5.2 .类型5.2.1 ）按材料分:有硅二极管，错二极管和砷化镓二极管等。5.2.2）按结构分:根据PN结面积大小，有点接触型（PN结面积小，用于检波 和变频等高频电路）、面接触型二极管（PN结面积大，用于工频大电流 整流电路）、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）。5.2.3）按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。5.2.4）按封装形式分:有塑封及金属封等二极管5.2.5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管半导体二极管的命名方法半导体器

10、件的型号由五个部分组成，如图5.3所示。其型号组成部分的符号及其意 义如图。如2AP9,“2”表示电极数为2,“A”表示N型错材料,“P”表示普通管,“9”表示序号。用字母表示规格号用数字表示序号用字母表示类型,用字母表示材料和极性用数字表示电极数目半导体二极管的伏安特性半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性单向导电性。常利用 伏（电压）安（电流）特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。若以电压为横坐标,电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连 接起来，就构成二极管的伏安特性曲线，如图5.4所示（图中虚线为错管的伏安特性，实线为硅 管的伏安特性）。正向导通区：门喝

11、电 压（硅管0 5,信管0 11Hh OA（OA ）段C点为反向击 客电压UBR反向截止区，门岬电压，15I v 壬 o 即：CA （CA1 :段硅管的正向导通压降约,I心d ir反向击穿区：反向电压Uv加到一定数传时，反向电流急剧增大，即，CD CCDT ）段图7.0下面对二极管伏安特性曲线加以说明。7.1.正向特性二极管两端加正向电压时（P区接正，N区接负），就产生正向电流，当正向电压较小时,正向电流极小（几乎为零），这一部分称为死区如图5.4中OA（OA，）段。相应的A（A点的电压称为死区电压或门槛电压（也称阈值电压），硅管约为0.5V,错管约为0.1V。当正向电压超过门槛电压时，正向电

12、流就会急剧地增大，二极管呈现很小电阻而处于导通 状态。这时硅管的正向导诵压降约为0.60.7V,锗管约为0.20.3V，发光二极管的导通电压一| 般为1. 7V以上。如图5.4中AB（AB）。其中0.7V和0.3V是二极管的最大正向导通电压一 一即到此电压时无论电压再怎么升高（不能高于二极管的额定耐压值），加在二极管上的电 压也不会再升高了二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值，否则将烧坏 PN结。反向特性二极管两端加上反向电压时（N区接正，P区接负），在开始很大范围内，二极管相当 于非常大的电阻,反向电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流 L，见图5.4

13、中OC （OC）段。R反向击穿特性二极管反向电压加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。此时对 应的电压称为反向击穿电压，用UBR表示，如图5.4中CD（CD）段。PN结的反向击穿从机理上说分：齐纳击穿和雪崩击穿，一般对于反压小于4V的击穿 称为齐纳击穿，反压大于7V的称为雪崩击穿。二极管的两种模型 7.4.1理想模型：做开关管用7.4.2恒压降模型：二极管正偏时两端电压基本固定。半导体二极管的主要参数最大整流电流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。最大反向工作电压UBM :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 ,为

14、安全计，在实际工作时，最大反向工作电压ubm一般只按反向击 穿电压ubr的一半计算。即：正偏电流不能超七，反偏电压不能超ubm。反向饱和电流IR :硅二极管的反向电流一半在纳安（nA）级；错二极管在 （uA）级。正向压降U :在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约为F0.60.8V；错二极管约为0.20.3V。动态电阻Rd :反应了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，Rd与工作电流 的大小有关，即：Rd=电压的变化Ud除以电流Id的变化。7.6二极管的温度特性由于二极管的核心是一个PN结，它的导电性能与温度有关，温度升高时二极管正向特 性曲线向左移动，正向压降减小;反向特性曲线向下

15、移动,反向电流增大。温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加：如 硅二极管温度每增加8摄氏度，反向电流将约增加一倍；错二极管温度每增加12摄氏度， 反向电流将约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1摄氏度，正向压降uf约减 小2Mv，即具有负温度系数。二极管的识别方法二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种 色圈（负极）标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负 极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚 长短来识别，长脚为正，短脚为负。发光二极管的

16、正负极判别：（1）由于发光二极管的导通电压一般为1.7V以上，万用 表R*10K档由于使用的15V电池，能把有的发光管点亮。（2）用眼睛来观察发光二极管， 可以发现内部的两个电极一大一小。一般来说，电极较小、个头较矮的一个是发光二极管 的正极，电极较大的一个是它的负极。若是新买来脚较长的一个是正极。二极管的简易测试将指针万用表置于RX 100或RX1k（Q）档。（RX1档电流太大，用RX 10k（Q）档电压太 高,都易损坏管子）。如图5.6所示,。测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔 接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值， 这与指针式万用表的

17、表笔接法刚好相反。图5.6万用表简易测试二极管示意图（a）电阻小；（b）电阻大5.8二极管使用注意事项5.8.1）二极管应按照用途、参数及使用环境选择。5.8.2）使用二极管时，正、负极不可接反。通过二极管的电流，承受的反向电压及环境 温度等都不应超过手册中所规定的极限值。5.8.3）更换二极管时，应用同类型或高一级的代替。5.8.4）二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm,以免造成引线折断或外壳破裂。5.8.5）点接触二极管的工作频率高，不能承受较高的电压和通过较大的电流，多用 于检波、小电流整流或高频开关电路。面接触二极管的工作电流和能承受的功率都较大， 但适用的频率较低，多用于整流

18、、稳压、低频开关电路等方面。5.9二极管常见应用电路5.9.1.单相半波整流电路（整流电路的任务时把交流电压转变为直流脉动电压）5.9.1.1）电路的组成及工作原理：通过二极管把交流电变为直流电，即只让交流 电的正半周（或负半周）通过，再用电容器滤波形成平滑的直流由于流过负载的电流。如图 Io和加在负载两端的电压Uo只有半个周期的正弦波，故称半波整流。图5.9.1单相半波整流电路（a）电路图；（b）波形图iO+uO(a) TOC o 1-5 h z ）负载上的直流电压和直流电流厂, i-p- pq 主匕 人 tqpt 甘口 , 一 , q, i-p- ytt _l/ . z-t U J U d

19、 （t） J 2U sin td（t） U* 0.45U2直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值：O 2n 0。2n 02 ， 2n 2r UU因而流过负载Rl上的直流电流则为：I。= R。-。.45 R2LL）整流二极管参数 由图5.9.1（a）可知,流过整流二极管的平均电流IV与流过负载的电流相等，即当二极管截止时，它承受的反向峰值电压U是变压器次级电压的最大值，即RM+RM25.9.2.单相桥式整流电路5.9.2.1）电路的组成及工作原理桥式整流电路由变压器和四个二极管组成。如图5.9.2.1-A单相桥式整流电路a,b.c三种画法所示+uOB(b)TB(c)由图5.9.2.1-A可见，四

20、个二极管接成了桥式，在四个顶点中,相同极性接在一起的一对顶 点接向直流负载日1，不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。输出波形如图5.9.2.1-B桥式整流电路输出全波形图c所示，单相桥式电路的电流通路 图a&b所示：(a)u2正半周时(b)u2负半周时。图5.9.2.1-B桥式整流电路输出波形图&单相桥式电路的电流通路)负载上的直流电压和直流电流由上述分析可知，桥式整流负载电压和电流是半波整流的两倍。U 广 0.9U 2/ UI = 0 .9o R)整流二极管的参数l在桥式整流电路中，因为二极管VI、V3和V2、V4在电源电压变化一周内是轮流 导通的，所以流过每个二极管的电流都等于负载电流

21、的一半，即r 1 U2广RU =克U从图5.9.2.1-B可知，每个二极管在截止时承受的反向峰值电压为：rm 2桥式整流电路与半波整流电路相比，电源利用率提高了 1倍,同时输出电压波动小，因此 桥式整流电路得到了广泛应用。电路的缺点是二极管用得较多，电路连接复杂，容易出 错，为了解决这一问题，生产厂家常将整流二极管集成在一起构成桥堆内部结构及外形如 图5.9.1所示。+(b)图5.9.1桥堆内部结构及外形图(a)半桥堆；(b)全桥堆使用一个“全桥”或连接两个“半桥”,就可代替四只二极管与电源变压器相连，组成桥式整 流电路，非常方便。选用时，应注意桥堆的额定工作电流和允许的最高反向工作电压应符合

22、整 流电路的要求。5.9.2各种滤波电路倒L型滤波器5.9.2.1.电容滤波电路电路组成及工作原理图5.9.2.1-A(a)为单相半波整流电容滤波电路，它由电容C和负载RL并联组成。V(a )iO +u O路及波形如图5.9.2-B所示。图5.9.2 -A半波整流电容滤波电路及波形其工作原理如下:当u2的正半周开始时，若u2uC(电容两端电压)，整流二极管V 因正向偏置而导通，电容C被充电：由于充电回路电阻很小，因而充电很快，uC和u2变 化同步。当3t=n/2时，u2达到峰值，C两端的电压也近似充至：2 u2值。在桥式整流电路中加电容进行滤波器与半波整流滤波电路工作原理是一样的不同点i+uO

23、(a)是在u2全周期内，电路中总有二极管导通，所以u2对电容C充电两次,电容器向负载放电的 时间缩短，输出电压更加平滑，平均电压值也自然升高。这里不再赘述。桥式整流电容滤波电图 5.9.2-B2）负载上电压的计算:（半波）（桥式、全波）3）元件选择（a）电容选择:滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数,RLC愈大，输出电压脉 动就愈小,通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的35倍，即RlC (35) f (桥式、全波)R C (3 5)T (半波)（b）整流二极管的选择：正向平均电流为1V I O（半波）V 2 0（桥式）4）电容滤波的特点：电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。但在接

24、通电 源的瞬间，将产生强大的充电电流,这种电流称为“浪涌电流”同时，因负载电流太大，电容器放 电的速度加快，会使负载电压变得不够平稳，所以电容滤波电路只适用于负载电流较小的场 合。5.9.2.2.电感滤波电路电感线圈L和负载的串联电路，同样具有滤波作用，电路如图5.9.2.2所示。图5.9.2.2桥式整流电感滤波电路及波形（a）电路；（b）波形整流滤波输出的电压，可以看成由直流分量和交流分量叠加而成。因电感线圈的直流 电阻很小,交流电抗很大（通直阻交），故直流分量顺利通过，交流分量将全部降到电感线圈 上，这样在负载RL得到比较平滑的直流电压。电感滤波电路的输出电压为：Uo = -9U 25.1

25、0特殊二极管前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用途的二极管,如稳压二极管、发光二 极管、光电二极管和变容二极管等,现介绍如下。5101.稳压二极管5.10.1.1）稳压二极管的稳压原理：它是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。反向工 作时，两端的反向电流发生了很大变化，但稳压二极管两端的电压却不变。稳压二极管的 特点就是工作在反向击穿区，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以 后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压 将基本保持不变。二极管在电路中的符号为“VD”或“D”，稳压二极管的符号为“ZD” 。5.10.1.2 ）故障特点：稳压二

26、极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在 这三种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后两种故障表现为电源电压变低到零伏 或输出不稳定。图5.10.1.1稳压二极管的特性曲线和符号（a）伏安特性曲线；（b）符号5.10.1.4 ）稳压二极管的主要参数（a）稳定电压UZ。稳定电压UZ即反向击穿电压。（b）稳定电流IZ。稳定电流IZ是指稳压管工作至稳压状态时流过的电流。当稳压管稳 定电流小于最小稳定电流I min时，没有稳定作用;大于最大稳定电流I max时,管子因过流而 损坏。5.10.1.5 ）稳压二极管的应用稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是其限流作用，以保 护稳压管；其次是当输入电压或负载电