高教版半导体二极管及其应用

第1章半导体二极管及其应用1.1半导体二极管1.2特种二极管1.3二极管整流电路1.4滤波电路

本章教学目标1、了解半导体的结构和导电特性、本征半导体的特点、导电原理、杂质半导体特点、PN结的特性。2、了解二极管的结构，熟悉二极管的单向导电性、电路符号、伏安特性、主要参数、温度对特性的影响、简单应用。3、熟悉稳压二极管的伏安特性、电路符号及主要参数。了解变容二极管、肖特基二极管、快速恢复二极管的特性、电路符号，了解SMT与微型二极管基本知识。本章教学目标4、熟悉单相半波整流、桥式整流电路组成及工作原理；选学全波整流电路组成、工作原理；会估算整流电路直流电压、会选择整流二极管；掌握全波、桥式整流电路中二极管的正确装接方法；选学倍压整流电路组成工作原理及适用场合。5、熟悉电容滤波电路工作原理，会估算输出电压，正确选用二极管和电解电容；了解LC滤波电路组成，熟悉RC滤波电路组成，会估算输出电压。1.1半导体二极管半导体二极管是最简单的电子器件，但应用十分广泛。其主要用于整流、限幅、开关等。1.1.1半导体基础知识1．半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和砷化镓（GaAs）等。1.1半导体二极管5．空穴产生：价电子获得能量挣脱原子核吸引和共价键束缚后留下的空位，空穴带正电。2．本征半导体：纯净的不含任何杂质、晶体结构排列整齐的半导体。3．共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。4．半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。图1.1.1共价健结构与空穴产生示意图

6．半导体的特性

7．杂质半导体的分类：(1)N型半导体(N-typesemiconductor)：在四价的本征半导体(硅)中掺入微量五价元素(磷)，就形成了N型半导体。(2)P型半导体(P-typesemiconductor)：在四价的本征半导体(硅)中掺入微量三价元素(硼)就形成P型半导体。

8．杂质半导体中多数载流子的产生见图1.1.2。

图1.1.2掺杂半导体共价健结构示意图(a)N型半导体(b)P型半导体

9．总结：(1)N型半导体中自由电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。(2)P型半导体中空穴为多子，自由电子为少子。(3)杂质半导体中，多子的浓度主要由掺杂浓度决定，而少子只与温度有关。(4)空位与空穴：P型半导体形成共价键过程中所形成的空缺的位子为空位，而邻近共价键中电子填补这一空位而形成的空位称为空穴。

1.1.2二极管的结构、类型、电路符号1.通过一定的生产工艺把半导体的P区和N区部分结合在一起，则它们的交界处就会形成一个具有单向导电性的薄层，称为PN结（PNJuntion）。

图1.1.3二极管内部结构示意图和电路符号(a)内部结构(b)图形符号

2.以PN结为管芯，在P区和N区均接上电极引线，并以外壳封装，就制成了半导体二极管，简称二极管。

3.二极管电路符号：箭头方向表示二极管导通时的电流方向。

4．二极管的分类

(1)按所用材料不同划分：硅管和锗管；(2)按制造工艺不同划分：①点接触型：结电容（Junctioncapacitance）很小，允许通过的电流也很小（几十毫安以下），适用于高频检波、变频、高频振荡等场合。2AP系列和2AK系列；②面接触型：允许通过的电流较大，结电容也大，工作频率较低，用作整流器件。如国产硅二极管2CP和2CZ系列；③硅平面型，2CK系列开关管。

图1.1.4二极管结构(a)点接触型(b)硅面接触型(c)硅平面型

5．国产半导体器件命名方法。2AP9，“2”表示电极数为2，“A”表示N型锗材料，“P”表示普通管，“9”表示序号。1.1.3二极管的伏安特性

一、二极管的单向导电性图(a)中的开关闭合，灯亮，大电流；图(b)开关闭合，灯不亮，电流几乎为零。

图1.1.5半导体二极管单向导电性实验（a)二极管正向偏置（b)二极管反向偏置

二极管阳极电位高于阴极电位，称为二极管(PN结)正向偏置，简称正偏(Forwardbias)；二极管阳极电位低于阴极电位，称为二极管(PN结)反向偏置，简称反偏(Reversebias)。

二极管正偏导通，反偏截止的这种特性称为单向导电性(Onilateralconductivity)。

二、二极管的伏安特性(Volt-amperecharacteristics)二极管的伏安特性在反向击穿前可用PN结的电流方程来表示：

式中，Is为反向饱和电流（Reversesaturationcurrent）,室温下为常数；U为加在二极管两端电压；UT为温度的电压当量，当温度为室温T=27℃时，UT=26mV，这个数值常用于近似计算。

二、二极管的伏安特性(Volt-amperecharacteristics)二极管的伏安特性曲线如图1.1.6所示，分为三部分：(a)正向特性(b)反向特性(c)反向击穿特性图1.1.6二极管（硅管）伏安特性曲线(a)正向特性：①OA段为死区，此时正偏电压称为死区电压Uth，硅管0.5V，锗管0.1V。②AB段为缓冲区。③BC段为正向导通区。当u≥Uth时，二极管才处于完全导通状态，导通电压UF基本不变。硅管为0.7~0.8V,一般取0.7V，锗管为0.2~0.3V，通常取0.2V。当二极管为理想二极管时，UF＝0。(b)反向特性：如图OD段所示，二极管处于截止状态，在电路中相当于开关处于关断状态。(c)反向击穿特性：如图所示，反向电流在E处急剧上升，这种现象称之为反向击穿（Reversebreakdown），此时所对应的电压为反向击穿电压UBR。对于非特殊要求的二极管，反向击穿时会使二极管PN结过热而损坏。1.1.4温度对二极管特性的影响1、温度升高1℃，硅和锗二极管导通时的正向压降UF将减小2.5mv左右。2、温度每升高10℃，反向电流增加约一倍。3、温度升高UBR下降。1.1.5二极管主要参数1．最大整流电流IFIF为指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流。

IF与PN结的材料、面积及散热条件有关。大功率二极管使用时，一般要加散热片。在实际使用时，流过二极管最大平均电流不能超过IF，否则二极管会因过热而损坏。1.1.5二极管主要参数2．最高反向工作电压URM（反向峰值电压）URM为二极管在使用时允许外加的最大反向电压。URM=UBR。实际使用时，二极管所承受的最大反向电压值不应超过URM，以免二极管发生反向击穿。3．反向电流IR

IR是指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。4．最高工作频率二极管的工作频率若超过一定值，就可能失去单向导电性，这一频率称为最高工作频率。主要由PN结的结电容的大小来决定。点接触型二极管结电容较小，可达几百兆赫兹。面接触型二极管结电容较大，只能达到几十兆赫兹。

必须注意的是，手册上给出的参数是在一定测试条件下测得的数值。如果条件发生变化，相应参数也会发生变化。因此，在选择使用二极管时注意留有余量。

1.1.6二极管管脚识别及性能简易测试二极管阳极、阴极一般在二极管管壳上都注有识别标记，有的印有二极管电路符号，对于玻璃或塑料封装外壳的二极管，有色点或黑环的一端为阴极。对于极性不明的二极管，可用万用表电阻档测二极管正、反向电阻，加以判断。

1.1.6二极管管脚识别及性能简易测试二极管性能简易测试示意图

可使用万用表电阻档通过测量二极管的正、反向电阻值，来判别其阳极、阴极。可使用万用表R×1k、R×100档对二极管性能进行简易测试。

1.1.6二极管管脚识别及性能简易测试用万用表红表笔接二极管阴极，黑表笔接二极管阳极测得电阻称为正向电阻，将黑、红表笔对调测得电阻为反向电阻。对于小功率锗管，若测得正向电阻为100~1000Ω，小功率硅管为几百欧姆至几千欧姆之间，反向电阻阻值在几百千欧以上(不论锗管还是硅管)，说明二极管的性能是正常的。

1.1.6二极管管脚识别及性能简易测试在用万用表测二极管极性和性能时，要注意以下问题。（1）小功率二极管测试不能用R×10、R×1档，以防过电流损坏二极管；不能用R×10k档，以防过电压使二极管击穿。（2）根据二极管功率大小和种类的不同，选择不同倍率的电阻档。小功率二极管用R×1k、R×100档，中大功率二极管一般选用R×10档或R×1档。（3）同一二极管选用万用表的型号不同或同一万用表的档位不同，所测得阻值会有所不同，这是由于万用表的内电压、内电阻不同及二极管的非线性所致。

二极管的种类很多，利用PN结的单向导电性制成的二极管有整流二极管、检波二极管、开关二极管等。此外，PN结还有一些其他特性，采用适当工艺方法可制成特种功能用途的二极管，如稳压二极管（Voltageregulatordiode）、变容二极管、肖特基二极管、快速恢复二极管等。

1.2特种二极管

1.2.1

稳压二极管（Voltageregulatordiode）

一、稳压二极管及其伏安特性反向击穿时流过二极管的电流在很大范围内变化，而管子两端电压几乎不变，这一特性称之为PN结的稳压特性。稳压二极管就是通过半导体特殊工艺处理后，使其具有很陡峭的反向击穿特性的二极管。稳压二极管又称齐纳二极管（Zenerdiode）,简称稳压管。它的电路符号与典型稳压二极管的伏安特性如图1.2.1所示。常用稳压二极管又2CW和2DW系列。

1.2特种二极管

1.2特种二极管

图1.2.1稳压二极管电路符号与典型稳压二极管伏安特性

（a)图形符号（b)伏安特性

稳压二极管实物图

稳压管的工作条件(1)外加电压反偏且大于反向击穿电压，即工作在反向击穿区。(2)工作电流I必须满足：IZ＜I＜IZmax。

二、稳压二极管主要参数

1.稳定电压UZ

它是指稳压管中电流为规定值IZ时的反向击穿电压。

2.动态内阻rZ它是指稳压管两端电压变化量ΔUZ与相应电流变化量ΔIZ之比值。它反映管子的稳压性能，rZ越小，稳压性能越好。3.稳定电流IZ

它是指保持稳定电压UZ时的电流。也就是管子的最小稳定电流IZmin＝IZ。当反向击穿电流小于IZmin时，管子不能稳压或效果不好。4.最大耗散功率PM和最大工作电流IZMPM为稳压管所允许的最大功率，IZM为稳压管允许流过的最大工作电流，超过PM或IZM时，管子因温度过高而损坏。

PM＝UZIZM

通常UZ＜5V的稳压管具有负温度系数，UZ＞8V的稳压管具有正温度系数，而UZ在6V左右时稳压管（如2DW7型）的温度系数最小。

5.稳定电压的温度系数αT

稳压管中流过的电流为IZ时，环境温度每变化1℃，稳定电压相对变化量（用百分数表示）称为稳定电压的温度系数。它表示温度变化对稳定电压UZ的影响程度。

1.2.2变容二极管

1．变容二极管原理、电路符号变容二极管是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。图1.2.2变容二极管电路符号

2．用途它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等，例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容等。

1.2.3肖特基二极管

肖特基二极管是利用金属和N型或P型半导体接触形成具有单向导电性的二极管，因此也称金属半导体二极管。其图形符号如图1.2.3所示。

图1.2.3肖特基二极管电路符号

它在数字集成电路中与晶体三极管做在一起，形成肖特基晶体管，以提高开关速度。还可用作高频检波和续流二极管等。

1.2.4快速恢复二极管

快速恢复二极管图形符号如图1.2.4所示，它与普通二极管相似，但制造工艺与普通二极管有所不同，在靠近PN结的掺杂浓度很低，以此获得较高开关速度和较低的正向压降。它的反向恢复时间为200~750nS，高速的可达10nS，与肖特基二极管相比，其耐压值要高得多。它主要用作高速整流元件，在开关电源和逆变电源中作整流二极管，以降低关断损耗，提高效率和减小噪声。图1.2.4快速恢复二极管电路符号

1.2.5SMT与微型二极管简介

目前，电子元器件正朝着短、小、轻、薄的方向发展。SMT是未来电子产品装配的主流。因采用SMT缩小了安装尺寸，印制电路板及元器件在高频情况下而产生的分布电容、分布电感大大减小，在高频电子仪器设备和高速数字电子仪器设备的装配中，有着不可替代的优势，得到广泛应用。

1.2.5SMT与微型二极管简介

微型元器件（亦称片状元器件）具有以下特点：（1）微型化，例如电阻3216R，其外形尺寸为3.2mm×1.6mm×0.6mm，电容1005C外形尺寸为1.0mm×0.5mm×0.35mm.。（2）引出端没有引线或只有很短的引线。（3）能满足SMT的要求，能实现印制电路板中的印制导线高密度化。例如印制导线的线宽和线距可缩小为0.05~0.1mm。

1.2.5SMT与微型二极管简介

微型元器件很多，从结构形状上划分，有薄片矩形、圆柱形、扁平异形等；从功能上分类，可分为无源微型元件SMC（如片状电阻器、电容器、电感器、滤波器和陶瓷振荡器等）和有源微型器件SMD（如微型二极管、晶体三极管、场效应管和数字、模拟集成器件等）。

常见微型二极管有以下三种。1.圆柱形无引线二极管2.塑封矩形薄片二极管3.SOT-23封装片状二极管

1.2.5SMT与微型二极管简介

图1.2.5圆柱型微型二极管图1.2.6SOT-23封装微型二极管

图1.2.7SOT-23封装型二极管内部结构

微型元器件实物图1.3.1单相半波整流电路

市电（交流电网）变为稳定的直流电需经过变压、整流、滤波和稳压四个过程。利用二极管的单向导电性，将大小和方向都随时间变化的工频交流电变换成单方向的脉动直流电的过程称为整流。有时将变压器、整流电路和滤波电路一起统称为整流器。

1.3二极管整流电路

单相半波整流电路如图1.3.1所示，图中T为电源变压器,RL为电阻性负载。

图1.3.1单相半波整流电路

一、电路工作原理

图1.3.2半波整流电路波形图

设变压器二次绕组的交流电压u2=√2U2sinωt，式中，U2为二次电压有效值。u2的波形如图1.3.2（a）所示。

(1)正半周u2瞬时极性a(＋)，b(－)，VD正偏导通，二极管和负载上有电流流过。若向压降UF忽略不计，则uo＝u2。

(2)负半周u2瞬时极性a(－)，b(＋)，VD反偏截止，IF≈0，uD＝u2。

负载RL上电压和电流波形见图1.3.2（b）、（c）。uo为u2的半个周期，故称半波整流电路。uo、iL为单向脉动直流电压、电流。

二、负载上直流电压和电流的计算负载上的直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。

三、整流二极管的选择（1）IF

二极管的最大整流电流IF≥ID，即IF≥ID=IL=0.45U2/RL。（2）URM1.3.2单相全波整流电路

图1.3.3变压器中心抽头单相全波整流电路

一、电路工作原理整流电路VD1和VD2轮流导通，所以在交流电的整个周期内都有电压输出，因此该电路称为全波整流电路。二、负载上电压、电流值全波整流电路波形如图1.3.4所示。从图中可见，全部整流电路负载上得到电压或电流的平均值是半波整流电路的两倍，即图1.3.4全波整流电路波形图三、整流二极管选择由于在单相全波整流电路中每个二极管只在半个周期内导通，所以流经每个管子的平均电流为IL（AV）一半，所以URM≥UDM=2√2U2图1.3.5全波整流电路最大反向峰值电压计算

IF≥ID=1/2IL(AV)=0.45U2/RL

1.3.3单相桥式整流电路

单相桥式整流电路（Bridgerectifier）如图1.3.6所示，其中图（b）为简化画法，图（c）为另一种画法。

图1.3.6单相桥式整流电路(a)原理图(b)简化画法(c)另一种画法一、电路工作原理（1）u2正半周u2瞬时极性a(＋)，b(－)。二极管VD1、VD3正偏导通，VD2、VD4反偏截止。导电回路为a→VD1→RL→VD3→b,负载上电压极性上正下负。（2）u2负半周u2瞬时极性a(－)，b(＋)。二极管VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正偏导通，导电回路为b→VD2→RL→VD4→a，负载上电压极性同样为上正下负。波形图：u2、iD、uo及iL波形如图1.3.7所示。

二极管正确接法：错接二极管会形成很大短路电流而烧毁。正确接法：共阳端和共阴端接负载，而另外两端接变压器二次绕组。

图1.3.7单相桥式整流电路波形图二、负载上电压、电流值及纹波系数的计算输出电压的平均值Uo(AV)和电流平均值IL（AV）及系数等均与全波整流电路相同，即UO(AV)=0.9U2，IL(AV)=0.9U2/RL。

三、整流二极管的选择选择二极管时，四、硅桥式整流器简介为使用方便，工厂生产出硅单相半桥整流器和硅单相桥式整流器。半桥整流器为二个二极管串接后封装引出三个引脚。单相桥式整流器又称桥堆，它将桥式整流器中四个二极管集中制成一个整体，其外形如图1.3.8所示。其中标有“~”引脚为交流电源输入端，其余两脚接负载。图中标注尺寸单位为：mm。图1.3.8常用桥式整流器(a)QL1～6型(b)QL51型桥式整流器实物图片*1.3.4倍压整流电路

二极管倍压整流电路（Voltagedoublerrectifer）如图1.3.9所示。图1.3.9倍压整流电路1.3.4倍压整流电路

1.3.4倍压整流电路

1.3.4倍压整流电路

1．采用滤波电路的缘由及功用整流电路输出的电压是脉动的，含有较大的脉动成分。这种电压只能用于对输出电压平滑程度要求不高的电子设备中，如电镀、蓄电池充电设备等。滤波电路（Filter）的作用：保留整流后输出电压的直流成分，滤掉脉动成分，使输出电压趋于平滑，接近于理想的直流电压。2．分类常用的滤波电路有电容滤波电路（Capacitance

filter）、电感滤波（Inductancefilter）和RC-π型滤波电路等。1.4滤波电路

一、半波整流电容滤波电路图1.4.1半波整流滤波电路及波形图1.4.1电容滤波电路在0～t1期间，uo的波形为0A段，近似按输入电压上升；t1～t2期间，uo波形自A向B缓慢下降；t1～t2期间，uo波形又开始按输入电压迅速上升，如此不断重复，使uo趋于平滑。半波整流电容滤波电路输出直流电压平均值为

UO（AV）=（1～1.1）U2一般取UO（AV）=U2流过二极管的平均电流为

ID（AV）≈U2/RL

二极管承受的最大反向电压为二、单相桥式整流电容滤波电路

图1.4.2单相桥式整流电容滤波电路图及波形图其工作原理与半波整流滤波电路基本相同，不同的是输出电压是全波脉动直流电，无论u2是正半周还是负半周，电路中总有二极管导通。在一个周期内，u2对电容充电二次，电容对负载放电的时间大大缩短，输出电压波形更加平滑，波形如图1.4.2（b）所示，图中虚线为不接滤波电容时的波形，实线为滤波后的波形，输出电压为

UO(AV)≈1.2U2

在电容滤波电路中，若负载电阻开路，UO=√2U2。滤波电容按下式选取τ=RLC≥（3～5）T/2式中，T是交流电的周期。滤波电容数值一般在几十微到几千微法，视负载电流大小而定，其耐压值应大于输出电压值，一般取1.5倍左右，且通常采用有极性的电解电容。在滤波电容装接过程中，切不可将电解电容极性接反，以免损坏电解电容或电容器发生爆炸。电容滤波电路简单，输出电压Uo较高，脉动较小。但外特性差，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。1.4.2电感电容滤波电路

利用电感线圈中电流变化产生的自感电动势阻碍电流变化的特性，可组成电感滤波器，电感滤波器的工作频率越高、电感量越大