半导体二极管及其应用电路71645课件

第1章半导体二极管及其

应用电路

1.1PN结1.2半导体二极管1.3整流滤波电路1.4特殊二极管1.1PN结

1.1.1半导体的基础知识

图1.1表示的是由二极管、灯泡、限流电阻、开关及电源等组成的简单电路。电路演示如下:按图1.1(a)所示,闭合开关S,灯泡发光,说明电路导通。若二极管管脚调换位置,如图1.1(b)所示,闭合开关S,灯泡不发光,由以上演示结果可知:二极管具有单向导电性。图1.1半导体二极管导电性能的实验

2．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锗,硅和锗都是四价元素,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。如图1.2所示。

图1.2硅和锗的共价键结构

图1.3本征激发产生电子空穴对示意图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,如图1.4所示。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——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,如图1.5所示。

图1.5两种载流子在电场中的运动

3．杂质半导体1)N型半导体在纯净的半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如磷）后,就可成为N型半导体,如图1.6(a)所示。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型半导体在硅（或锗）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。P型半导体共价键结构如图1.6(b)所示。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。

1.1.2PN结及其单向导电特性

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。

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。1)PN结正向偏置给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图1.7所示。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。

2)PN结反向偏置给PN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),如图1.8所示。

图1.8PN结加反向电压

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,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。

应当指出,少数载流子是由于热激发产生的,因而PN结的反向电流受温度影响很大。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。

图1.9二极管结构、符号及外形举例(a)结构；(b)符号；(c)外形

2．类型(1）按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。(2）按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。(3）按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。(4）按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。(5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。图1.10半导体器件的型号组成

1.2.3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。常利用伏安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1.11所示（图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性）。下面对二极管伏安特性曲线加以说明。

图1.11二极管伏安特性曲线

1.正向特性

二极管两端加正向电压时,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,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,锗管约为0.1V,如图1.6中OA(OA′)段。当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如图1.11中AB(A′B′)段。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。

2.反向特性二极管两端加上反向电压时,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IR,见图1.11中OC（OC′）段。

3.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1.11中CD(C′D′)段。

4.温度对特性的影响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;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。1.2.4半导体二极管的主要参数

1.最大整流电流IF2.最大反向工作电压URM3.反向饱和电流IR

4.二极管的直流电阻R5.最高工作频率fM

1.2.5二极管的简易测试将万用表置于R×100或R×1k(Ω)挡（R×1挡电流太大,用R×10k(Ω)挡电压太高,都易损坏管子）。如图1.12所示,图1.12万用表简易测试二极管示意图(a)电阻小；(b)电阻大

1.2.6二极管使用注意事项

二极管使用时，应注意以下事项：(1)二极管应按照用途、参数及使用环境选择。

(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。(3)更换二极管时,应用同类型或高一级的代替。(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。1.3整流滤波电路1.3.1整流电路1.单相半波整流电路1）电路的组成及工作原理图1.14(a)所示为单相半波整流电路。由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波,故称半波整流。

图1.14单相半波整流电路及波形图(a)电路图；(b)波形图2）负载上的直流电压和直流电流直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。即(1.1)流过负载RL上的直流电流为(1.2)3）整流二极管参数由图1.14(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

（1.3）当二极管截止时，它承受的反向峰值电压URM是变压器次级电压的最大值，即（1.4）

2．单相桥式整流电路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1.15所示。由图(a)可见,四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RL,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1.17所示。

图1.15单相桥式整流电路(a)电路画法一；(b)电路画法二；(c)电路画法三图1.16单相桥式电路的电流通路(a)u2正半周时；(b)u2负半周时图1.17桥式整流电路输出波形图2）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。（1.5）（1.6）3）整流二极管的参数在桥式整流电路中,因为二极管V1、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的一半,即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1.18所示。（1.7）从图1.16可知，每个二极管在截止时承受的反向峰值电压为（1.8）图1.18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整流电路的要求。1.3.2滤波电路

常见的电路形式如图1.19所示。图1.19各种滤波电路

1．电容滤波电路

1)电路组成及工作原理图1.20(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。图1.20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u2>uC(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ωt=π/2时，u2达到峰值，C两端的电压也近似充至

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路及波形如图1.21所示。图1.21桥式整流电容滤波电路及波形(a)电路；(b)波形3)元件选择(1)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3～5倍,即2）负载上电压的计算（半波）（1.9）（半波、全波）（1.10）（桥式、全波）（1.11）（半波）（1.12）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。(2)整流二极管的选择。正向平均电流为（半波）（1.13）（桥式）（1.14）

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1.22所示。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,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(1.17)图1.22桥式整流电感滤波电路及波形(a)电路；(b)波形1.4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。

1．稳压二极管1）稳压二极管的工作特性稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图1.23所示。

图1.23稳压二极管的特性曲线和符号(a)伏安特性曲线；(b)符号2）稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ。稳定电压UZ即反向击穿电压。(2)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IZmax时,没有稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时,管子因过流而损坏。

2．发光二极管发光二极管与普通二极管