电子元器件第五章二极管

电子元器件第五章二极管第一页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识一、基础知识1、半导体导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体。1）半导体的特性掺杂性。当往纯净的半导体中掺入少量某些物质，半导体的导电性就会大大增强。热敏型。当温度上升时，半导体的导电能力会增强。光敏性。当有光线照射半导体是，半导体的导电能力也会显著增强。2）半导体的类型本征半导体。纯净的半导体称为本征半导体，它的导电能力是很弱的。N型半导体。在纯净半导体中掺入五价杂质后，半导体中会有大量带负电荷的电子，这种电子偏多的半导体叫做“N型半导体”。P型半导体。在纯净半导体中掺入三价杂质后，半导体中电子偏少，有大量带正电的空穴产生，这种空穴偏多的半导体叫做“P型半导体”。第二页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识一、基础知识2、二极管当P型半导体和N型半导体结合在一起时，P型半导体中的正电荷向N型半导体中扩散，N型半导体中的电子向P型半导体中扩散，于是在P型半导体和N型半导体中间就形成一个特殊的薄层，这个薄层称为PN结，从含有PN结的P型半导体和N型半导体两端各引出一个电极并封装起来就构成了二极管，与P型半导体连接的电极称为正极，与N型半导体连接的电极称为负极。PNPN结第三页，共八十页，编辑于2023年，星期一当P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为正向PN结。反之，则称反向PN结。

PNPN结5.1二极管知识第四页，共八十页，编辑于2023年，星期一1、正向PN结（1）少子注入正向电压使 势垒区宽度变窄、 势垒高度变低外加电场与内建电场方向相反

空间电荷区中的电场减弱

破坏扩散与漂移运动间的平衡 扩散运动强于漂移运动

注入少子

注入的少子边扩散边复合PN结第五页，共八十页，编辑于2023年，星期一（2）正向PN结中载流子的运动电流在N型区中主要由电子携带电流在P型区中主要由空穴携带

通过PN结的电流存在电流载体转换的现象P区N区jnjpLnLpPN结第六页，共八十页，编辑于2023年，星期一2、反向PN结（1）反向PN结的少子抽取反向电压使 势垒区宽度变宽 势垒高度变高外加电场与内建电场方向相同增强空间电荷区中的电场破坏扩散漂移运动平衡漂移运动强于扩散运动抽取少子LnLpPN结第七页，共八十页，编辑于2023年，星期一(2)反向PN结中载流子的运动P区N区jpjnLnLpPN结第八页，共八十页，编辑于2023年，星期一3、PN结击穿的含义 PN结反向电压超过某一数值时，反向电流急剧增加的现象称为“PN结击穿”，这时的电压称为击穿电压（VR）VRIV产生击穿的机制热效应隧道效应雪崩效应PN结第九页，共八十页，编辑于2023年，星期一1）雪崩击穿 PN结加大的反向偏压

载流子从电场获得能量

载流子与晶格碰撞 能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子－空穴

新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴

载流子倍增硅PN结发生雪崩击穿的电场强度为105～106

V/cm非破坏性可逆击穿PN结第十页，共八十页，编辑于2023年，星期一2）隧道击穿 反向偏压升高

P区价带顶高于N区导带底

当势垒区宽度较小 P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带 形成电子空穴对 这种效应称“隧道效应”一般： 隧道击穿的电压较低，如SiPN结，VB<4.5V 雪崩击穿的电压较高，如SiPN结，VB>6.7V非破坏性可逆击穿P+区N+区势垒区ECEVPN结第十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一3）热击穿热损耗局部升温电流增加破坏性击穿 PN结第十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识一、基础知识2、二极管二极管内部结构、电路符号和实物外形第十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一LED红外光发射管红外光接收管第十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一双二极管BAV99第十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识二、性质1、性质当二极管正极与电源正极连接，负极与电源负极连接时，二极管能导通，反之二极管不能导通。二极管单方向导通的性质称为二极管的单向导电性。第十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识二、性质2、伏安特性曲线1）正向特性二极管加正向电压时不一定能导通，只有正向电压达到门值电压时，二极管才导通。

UA称为正向导通电压，又称门电压或阈值电压硅材料二极管的门电压约为0.5~0.7V，锗材料二极管的门电压约为0.2~0.3V。2）反向特性当二极管加较低的反向电压时不能导通，但反向电压达到反向击穿电压时，二极管会反向击穿。第十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识三、主要参数1、最大整流电流IF：2、最高反向工作电压UR：3、最大反向电流IR：4、最高工作频率fM：第十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识四、极性判别1、根据标注或外形判断极性第十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识四、极性判别2、用指针万用表判断极性第二十页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识四、极性判别3、用数字万用表判断极性：数字万用表有一个二极管测量档，可以用该档来判断二极管的极性。第二十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识五、检测二极管常见故障有开路、短路和性能不良。二极管检测第二十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.1二极管知识六、二极管型号命名方法第一部分用数字“2”表示主称为二极管；第二部分用字母表示二极管的材料与极性；第三部分用字母表示二极管的类别；第四部分用数字表示序号；第五部分用字母表示二极管的规格号。第二十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一第二十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一举例：第二十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管一、整流二极管整流二极管多用硅半导体材料制成，有金属封装和塑料封装两种。整流二极管是利用PN结的单向导电性能，把交流电变成脉动直流电。补充：普通的直流电是指大小（电压高低）和方向（正负极）都不随时间（相对范围内）而变化，比如干电池。脉动直流电是指方向（正负极）不变，但大小随时间变化，比如：我们把50Hz的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电，半波整流得到的是50Hz的脉动直流电，如果是全波或桥式整流得到的就是100Hz的脉动直流电，它们只有经过滤波（用电感或电容）以后才变成平直的直流电。

第二十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管一、整流二极管常用整流二极管的规格及参数第二十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管一、整流二极管常用整流二极管的外形第二十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管二、检波二极管检测二极管的作用是把调制在高频电磁波上的低频信号检出来。检波二极管要求结电容小，反向电流也小。除了一般的二极管参数外，检波二极管还有一个特殊参数——检波效率。检波效率定义为：在检波二极管输出电路的电阻负载上产生的直流电压与加于输入端的正弦交流信号电压峰值之比的百分数，即检测二极管的检波效率会随着工作频率的增高而下降。第二十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管二、检波二极管常用检波二极管的规格及参数

第三十页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管三、开关二极管由于半导体二极管具有单向导电的特性，在正偏压下其电阻很小，在反偏压下其电阻很大，呈截止状态，利用这一特性，为在电路上进行“开”“关”而特殊设计制造的一类二极管，就叫开关二极管。开关二极管从截止（高阻）到导通（低阻）的时间叫“开通时间”，从导通到截止的时间叫“反向恢复时间”，两个时间加在一起统称“开关时间”。一般反向恢复时间远大于开通时间，故手册上常只给出反向恢复时间。硅开关二极管反向恢复时间只有几纳秒，锗开关二极管反向恢复时间有几百纳秒。

第三十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管常见开关二极管的规格及参数第三十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管四、稳压二极管稳压二极管是利用二极管反向击穿时，其两端电压固定在某一数值而基本上不随电流大小变化这一特性来工作的。稳压二极管又称齐纳二极管或反向击穿二极管。1、外形与符号第三十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管四、稳压二极管2、工作原理在电路中，要让稳压二极管起稳压作用，须将它反接在电路中，稳压二极管在电路中正接时的性质与普通二极管相同。稳压原理：当外加电压低于稳压二极管稳压值时，稳压二极管不能导通，无稳压功能；当外加电压高于稳压二极管稳压值时，稳压二极管反向击穿，两端电压保持不变，其大小等于稳压值。（为了保护稳压二极管并使它有良好的稳压效果，需要给稳压二极管串接限流电阻。）第三十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管四、稳压二极管3、应用第三十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管四、稳压二极管4、主要参数第三十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管四、稳压二极管5、检测稳压二极管的检测包括极性判断、好坏检测和稳压电压检测。好坏检测：第三十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管四、稳压二极管5、检测稳压二极管的检测包括极性判断、好坏检测和稳压电压检测。稳压电压检测：第三十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管五、变容二极管变容二极管和普通二极管一样，加正向电压时导通，加反向电压时截止。在变容二极管两端加反向电压时，除了截止外，还可以相当于电容，并且容量可调。1、外形与符号第三十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管五、变容二极管2、工作原理1）加正向电压变容二极管内部的PN结变薄，当正向电压达到导通电压时，PN结消失，对电流的阻碍消失，变容二极管像普通二极管一样正向导通。2）加反向电压变容二极管内部的PN结变厚，PN结阻止电流流过，变容二极管处于截止状态，反向电压越高，PN结越厚。第四十页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管五、变容二极管3）容量变化规律变容二极管加反向电压时可以相当于电容器，当反向电压改变时，其容量就会发生变化。反向电压越高，容量越小，反向电压越低，容量越大。第四十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管五、变容二极管3、主要参数结电容：指两端加一定反向电压时变容二极管PN结的容量结电容变化范围：指变容二极管的反向电压从零开始变化到某一电压值时，其结电容的变化范围。最高反向电压：指变容二极管正常工作时两端允许施加的最高反向电压值。使用时超过该值，变容二极管容易被击穿。4、检测检测时万用表拨RX10K档，测量变容二极管正、反向电阻，正常的变容二极管反向电阻为无穷大，正向电阻一般在200KΩ左右。若测得正、反向电阻均很小或为0，则说明变容二极管漏电或短路。如测得正、反向电阻均为无穷大，则说明变容二极管开路。第四十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管六、发光二极管由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

普通发光二极管变色发光二极管电压型发光二极管实验演示第四十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管六、发光二极管1、普通发光二极管1）发光原理：当正向电压高于开启电压VF（通常为1.5~3V）时就有正向电流通过，发光二极管就发光。不同颜色发光二极管的VF值不同。通过发光二极管的电流越大，发光越亮，但不允许电流超过其最大值，以免烧毁，在应用电路中应加限流电阻。2）发光二极管检测：发光二极管的正向开启电压大于1.5V，不能用万用表RX1K档（表内电池为1.5V），必须用RX10K档（表内电池为9V）。3）发光二极管常用的型号有BT101、BT201、BT301（红色）BT103、BT203、BT303（绿色）BT104、BT204、BT304（黄色）第四十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管六、发光二极管2、变色发光二极管变色发光二极管在不同的电压下可以发红光或绿光，在一定条件下可同时发出红光和绿光，形成混合光（橙色光）。图（c）中，当转换开关K拨向G时，绿色管亮；当转换开关拨向R时，红色管亮；如果同时接通G和R，则红、绿管同时亮，发出橙色光。图（d）中，R是限流电阻，W是电位器。当W滑到A端时，变色管发红光；当W滑到B端时，变色管发绿光。第四十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管六、发光二极管3、电压型发光二极管（BTV）使用BTV不需要加电阻，只要加上额定电压就可以正常工作了。注意：正负极不得接反，必须在额定电压下使用，低于额定值时亮度会降低，超过额定值可能损坏二极管。第四十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管六、发光二极管3、电压型发光二极管（BTV）BTV管可代替普通发光二极管作各种指示。图（a）采用直流电源驱动图（b）采用交流电源驱动，在交流电的正、负半周，两只BTV管轮流发光图（c）由TTL电路驱动图（d）由CMOS电路驱动第四十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管七、双向触发二极管（DIAC）简称双向二极管，它在电路中可以双向导通。不管加正向电压还是反向电压，只要电压达到一定值，双向触发二极管就导通。第四十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管七、双向触发二极管（DIAC）第四十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管七、双向触发二极管（DIAC）特性曲线双向触发二极管的触发电压较高，30V左右最为常见，一般有20~60V、100~150V和200~250V三个等级。第五十页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管七、双向触发二极管（DIAC）检测：包括好坏检测和触发电压检测。好坏检测第五十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管七、双向触发二极管（DIAC）检测：包括好坏检测和触发电压检测。触发电压检测第五十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管七、双向触发二极管（DIAC）应用1：台灯调光电路该电路由双向触发二极管与双向晶闸管等元件构成。通过调节电位器RP，可以改变双向晶闸管的导通角，从而改变通过灯泡的电流（平均值），实现连续调光。第五十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一5.2特殊二极管七、双向触发二极管（DIAC）应用2：过压保护电路该电路由双向触发二极管与双向晶闸管等元件构成。当瞬态电压超过双向触发二极管的触发电压时，双向触发二极管迅速导通，晶闸管也导通，使后面的负载免受过压损坏。第五十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一补充内容：LED显示接口技术

显示系统：主要用于显示各种参数的值，以便使现场工作人员能够及时掌握生产过程。常用的显示器有显示和记录仪表：能连续进行显示和记录，但价格比较贵，且为模拟显示，读数不方便，有一定的误差。CRT显示终端：可显示数字、画面及报表，但系统比较复杂，价格比较贵，多用于大中型控制系统中。LED显示器：结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，寿命长，可靠性较高。LCD显示器：功耗低。大屏幕显示器：显示清晰，视觉范围广。

第五十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一一、LED数码管的结构及显示原理二、LED动态显示接口技术三、LED静态显示接口设计四、硬件译码显示电路第五十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一一、LED数码管的结构及显示原理

LED显示器是发光二极管显示器，是通过发光二极管显示字段的器件。1、LED显示器的结构及原理1）构成：常用的是由7段LED数码管构成。显示块中有8个发光二极管7个发光二极管组成字符“8”1个发光二极管构成小数点第五十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一（a）共阴极（b）共阳极2）LED数码管分类：共阴极和共阳极共阴极：共阴极LED数码管的发光二极管的阴极共地，

当某个发光二极管的阳极电压为高电平时，二极管发光。共阳极：共阳极LED数码管是发光二极管的阳极共接，

当某个发光二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。第五十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一3）工作原理：将数码管的引脚和单片机的数据输出口相连，控制输出的数据就可以使数码管显示不同的数字和字符。输出的数据：例如：显示字符“2”，则要a、b、d、e、g五个发光二极管发光共阴极：要求这五个发光二极管阳极电压为高电平“1”则输出的8位字节数据为01011011B5BH共阳极：要求这五个发光二极管阴极电压为低电平“0”则输出的8位字节数据为10100100BA4H段选码dpgfedcba第五十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一表7段LED段选码第六十页，共八十页，编辑于2023年，星期一2、LED数码管的显示方式在微机控制系统中，一般利用N块LED显示器件构成N位LED显示器。构成原理图如下图所示。显示方式：静态显示、动态显示N位LED显示器原理图第六十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一1）LED静态显示方式下图表示的是一个四位静态LED显示电路。静态显示方式的特点：（1）每块显示器件都处于选通状态（2）只要控制显示位的段选码，就可显示出相应的字符（3）每一位都可独立显示，在同一时刻每一位显示的字符可以不同静态显示方式的缺点：（1）需要N×8根I/O口线，占用的I/O资源较多（2）显示位比较多时，硬件线路比较复杂，成本增加第六十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一2）LED动态显示方式

LED动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而位选线则由其他的I/O口控制，实现各位的分时选通。下图表示的是一个8位动态LED显示电路。8位动态LED显示电路图第六十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一8位动态LED显示电路只需要两个8位的I/O口一个控制位选码→I/O（1）一个控制段选码→I/O（2）由于所有位的段选码由一个I/O口控制，因此要使每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方式，即每一时刻选通一个显示位。同时段选控制I/O口输出要显示字符对应的段选码，使该位显示相应的字符。显示一段时间后，再选通下一显示位。如此循环下去。特点：每一时刻只能选择一位。第六十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一二、LED动态显示接口技术动态显示方法按单片机输出数据的方式有并行和串行两种方式。第六十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一二、LED动态显示接口技术1、并行接口动态显示电路及程序设计位选码指向最左一位PB口输出为20H=00100000BPB5=1，经75452缓冲器/驱动器反相后，作为位选控制信号则LED为共阴极接法100000第六十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一二、LED动态显示接口技术2、串行接口动态显示电路及程序设计引脚RXD实现数据的输入输出引脚TXD发出移位脉冲设置串行中断请求标志TI，每输出一个字节数据，则TI置位，通过测试该状态，即可确定字节是否发送完毕。第六十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一二、LED动态显示接口技术2、串行接口动态显示电路及程序设计74LS164是串行输入并行输出的移位寄存器串行输入端A,B↔RXDA,B端具有允许和禁止的功能：A作为串行输入数据端时，B则作为禁止或允许输入选择端，反之亦然。并行输出端QA~QH↔段选码当被显示数据从RXD端输出到74LS164的输入端A,B时，74LS164将串行数据转换成8位输出码由QA~QH输出。时钟脉冲接收端CLK↔TXD用来控制移位寄存器的移位节奏。第六十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一三、LED静态显示接口技术1、并行接口静态显示电路及程序设计段选码由P0口经总线驱动器74LS244传送到各锁存器74LS377的输入端。/WR=0,P2.7=0,则74LS244打开，将P0口的数据（段选码）传送到各个显示器的锁存器74LS377中P2口控制地址译码器74LS138，所选中的锁存器74LS377选通，对应的显示器显示。第六十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一三、LED静态显示接口技术例：显示205046从左到右显示位的地址依次为4000H,4100H,4200H,4300H,4400H,4500H4000H=0100000000000000BP2.0→A,P2.1→B,P2.2→C,000，则选中/Y0P2.3=0,P2.4=0,P2.5=0,P2.6=1,则选通74LS138P2.7=0,/WR=0,则打开74LS2440000001第七十页，共八十页，编辑于2023年，星期一三、LED静态显示接口技术例：显示205046第七十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一三、LED静态显示接口技术例：显示205046从左到右显示位的地址依次为4000H,4100H,4200H,4300H,4400H,4500H4100H=0100000100000000BP2.0→A,P2.1→B,P2.2→C,001，则选中/Y1P2.3=0,P2.4=0,P2.5=0,P2.6=1,则选通74LS138P2.7=0,/WR=0,则打开74LS244第七十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一三、LED静态显示接口技术例：显示205046从左到右显示位的地址依次为4000H,4100H,4200H,4300H,4400H,4500H