电子技术基础课件：半导体二极管及其应用

半导体二极管及其应用第一节半导体二极管的结构、特性及其基本应用第二节特殊二极管及其应用半导体器件是现代电子技术的重要组成部分。由于半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、能量转换效率高等优点，因而得到了广泛的应用。教学内容:(1)半导体的基本知识、PN结及其单向导电性。(2)半导体二极管的结构、特性曲线和主要参数。(3)特殊二极管和半导体二极管的应用电路。学习目标:(1)了解半导体二极管的结构，熟悉其图形符号、单向导电性，理解半导体二极管的伏安特性及主要参数，能够查阅相关手册。(2)学会半导体二极管识别与检测的基本方法，了解半导体二极管的使用知识，掌握其基本应用。(3)熟悉稳压二极管的图形符号、工作特点及其应用。(4)了解发光二极管、光电二极管和变容二极管的图形符号、工作特点及其应用。

第一节半导体二极管的结构、特性及其基本应用

1.1结构与类型1.结构与符号半导体二极管由PN结加上引线和管壳构成，如图1.1所示。2.类型半导体二极管的种类很多，按材料分为硅二极管和锗二极管;按结构分为点接触型二极管、面接触型二极管和硅平面型二极管。1)点接触型二极管点接触型二极管的特点是结面积小，结电容小，适用于高频下工作，如图1.2所示，主要应用于小电流的整流和检波、混频等。2)面接触型二极管面接触型二极管的特点是结面积大，能通过较大的电流，但结电容也大，只能工作在较低频率下，可用于整流，如图1.3所示。3)硅平面型二极管硅平面型二极管中，结面积大的，可通过较大的电流，适用于大功率整流;结面积小的，结电容也小，适用于在脉冲数字电路中作开关管。近期，由于电子产品的微型化和轻量化，片状的贴片元器件发展极为迅速。此类器件为无引线或短引线微型元器件，可直接安装于印制电路板表面，在微型收录机、移动通信设备、高频电子仪器、微型计算机等领域得到广泛应用。图1.4所示为二极管的封装和微型二极管的实物示意。1.2特性及主要参数1.单向导电性二极管的主要特性是单向导电性。加在二极管两端的电压称为偏置电压，若将直流电源的正端加到二极管正极(PN结的P区)，负端加到二极管的负极(PN结的N区)，如图1.5(a)所示，称为二极管(PN结)正向偏置，简称正偏。这时电流表示出较大的电流值，二极管的这种状态称为正偏导通，二极管呈现很小的电阻。若将直流电源的正端接二极管的负极，负端接二极管的正极，如图1.5(b)所示，称为二极管(PN结)反向偏置，简称反偏。这时电流表示出的电流值几乎为零，二极管的这种状态称为反向截止，即二极管呈现很大的电阻。这种允许一个方向电流流通的特性，称为单向导电性。2.特性曲线二极管本质就是一个PN结，但是对于真实的二极管器件，考虑到引线电阻和半导体的体电阻及表面漏电等因素的影响，二极管的特性与PN结略有差别。二极管的实测特性曲线如图1.6所示。1)正向特性正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值后，才有明显的正向电流。该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Uon表示。在室温下，硅管的Uon约为0.6～0.8V，锗管的Uon约为0.1～0.3V。通常认为，当正向电压U＜Uon时，二极管截止；U＞Uon时，二极管导通。2)反向特性二极管加反向电压，反向电流数值很小，且基本不变，称为反向饱和电流。硅管的反向饱和电流为纳安(nA)数量级，锗管为微安(μA)数量级。当反向电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。4)主要参数描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。各种器件的参数可由手册查得。二极管的主要参数有:(1)最大整流电流IF。IF指二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热，电流过大，发热量超过限度就会烧坏PN结，所以在使用二极管时，通过管子的正向平均电流不允许超过所规定的最大整流电流值。一般地，点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下，面接触型二极管的最大整流电流可达数百安以上，有的甚至可达几千安以上。(2)最大反向工作电压URM。URM指保证二极管不被击穿而给出的最大反向工作电压。通常是反向击穿电压的1/2～2/3，以保证二极管在使用中不致因反向电压过大而损坏。点接触型二极管的最大反向电压一般在数十伏以下，面接触型二极管的最大反向电压一般可达数百伏。(3)最大反向电流IRM。IRM指给二极管加最大反向电压时的反向电流值。反向电流大，说明管子的单向导电能力差，并且受温度的影响大。硅二极管的反向电流一般在几微安以下。锗二极管的反向电流较大，为硅二极管的几十倍到几百倍。(4)最高工作频率fM。fM主要由PN结的结电容的大小来决定。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fM。1.3综合应用1.使用常识1)二极管的型号命名方法(摘自国家标准GB249—74)国产二极管型号由五部分组成，组成部分的符号及其意义可参阅表1.1。2)器件手册的查阅二极管的参数一般可以从半导体器件手册中查到，现选录了几种常用国产二极管的主要参数列于表1.2，供学习参考。2.选用与检测1)选用一般根据设备及电路技术要求，查阅半导体器件手册，选用参数满足要求的二极管。在挑选过程中，应尽量选用经济、通用、市场容易买到的器件。具体选用时应注意以下几点:(1)查阅手册时应注意器件的离散性以及参数测试条件。同型号管子的实际参数可能有较大的差别，当工作条件发生较大变化时，参数值也可能有较大的改变，所以选用时要留有一定的余量。(2)根据使用场合来确定二极管的型号。若用于整流电路，应选用整流二极管；若用于检波电路，应选用点接触型锗管；若用于高速开关电路，应选用开关二极管；若用于稳压电路，应选用稳压二极管；若用于电路状态指示，应选用发光二极管等。(3)所选用二极管极限参数应大于实际可能产生的最大值，特别注意不要超过最大工作电流(或最大功耗)和最大反向工作电压，并留有足够的余量。(4)尽管选用反向电流小、正向压降小的管子。(1)二极管正、负极性的识别。使用时二极管正、负极性不可接反，否则有可能造成二极管的损坏。二极管极性的识别很简单，如果是透明玻璃外壳的二极管，可直接看出极性，即内部连接半导体芯片的一根引线是负极，连接接触丝的一根引线是正极；大功率二极管多采用金属封装，并且带有螺帽以便固定在散热器上，带有螺帽的一端通常是负极，另外一端是正极。一般情况下，二极管外壳上大多采用一道色环来标示出负极。例如玻璃封装二极管的负极端有一道黑色环，黑色塑料封装二极管的负极端有一道银色或白色环。也有的二极管采用一个色点来标示出正极。还有部分二极管采用将二极管的图形符号印刷在外壳上来标示它的正极和负极。发光二极管的正、负极可从引脚的长短来识别，如果引脚没有被剪过，那么长的引脚为正极，短的引脚为负极。各种不同封装的二极管如图1.7所示。若不能由标记(如标记不清)来判断正、负极，则可用万用表来检测、判断。(2)用万用表检测、判断。将万用表置于×1k挡，调零后用表笔跨接于二极管两个引脚，如图1.8所示，读取电阻值，然后将表笔位置互换再读一次电阻值，正常情况下应分别读得大、小两个电阻值，其中小电阻为二极管的正向电阻，如图1.8(a)所示；大电阻为二极管反向电阻，如图1.8(b)所示。由于模拟万用表置电阻挡时，黑表笔连接的为表内电池正极，红表笔连接的为表内电池负极，所以测得正向电阻时，与黑表笔相连的引脚为二极管的正极(A)，红表笔所接引脚为负极(K)。若正、反向电阻阻值相差不大，则为劣质管；若正、反向电阻阻值都非常大，表明管子内部已断路；若正、反向电阻阻值都很小，则表明管子内部已短路。出现断路时，表明二极管已损坏。管子正常情况下，若正向电阻为几千欧，则为硅管;若正向电阻为几百欧，则为锗管。1.4电路分析1.二极管模型当二极管的正向压降远小于外接电路的等效电压，其相比可忽略时，可用图1.9(a)中与坐标轴重合的折线近似代替二极管的伏安特性，这样的二极管称为理想二极管。它在电路中相当于一个理想开关，只要二极管外加正向电压稍大于零，它就导通，其管压降为零，相当于开关闭合；当外加反向电压时，二极管截止，其电阻为无穷大，相当于开关断开。当二极管的正向压降与外加电压相比较，相差不是很大，而二极管的正向电阻与外接电阻相比较可以忽略时，若用理想二极管模型来分析计算将产生较大的误差，这时可用图1.9(b)所示伏安特性模型来近似代替实际二极管，称为二极管的恒压降模型。显然，这种模型较理想模型更接近实际二极管。

第二节特殊二极管及其应用

2.1稳压二极管1.符号及特性稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，其图形符号和伏安特性曲线如图1.14所示。稳压二极管工作在反向击穿区，利用反向击穿特性，电流变化很大，引起很小的电压变化。稳压二极管的工作原理利用的是PN结的击穿特性。由二极管的特性曲线可知，如果二极管工作在反向击穿区，则当反向电流在较大范围内变化时，管子两端电压相应的变化却很小，这说明它具有很好的稳压特性。2.主要参数（1）稳定电压UZ:指流过稳压二极管的电流为规定值时稳压二极管两端的反向电压值，其值取决于稳压二极管的反向击穿电压值。由于工艺方面的原因，同一型号稳压二极管的稳定电压允许有一定的范围。（2）稳定电流IZ:指稳压二极管稳压工作时的参考电流值，通常为工作电压等于UZ时所对应的电流值。当工作电流低于IZ时，稳压效果变差(有时也常将IZ记作IZmin);若低于IZmin时，稳压二极管将失去稳压作用。（3）最大耗散功率PZm和最大工作电流IZm(或记作IZmax):指为了保证稳压二极管不被热击穿而规定的极限参数，由管子允许的最高结温决定，PZm=IZmUZ。（4）动态电阻rZ:指稳压范围内稳压二极管两端电压变化量与相应电流变化量之比，rZ=ΔUZ/ΔIZ。rZ值很小，约几欧到几十欧。rZ越小，即反向击穿特性曲线越陡，稳压性能就越好。(5)电压温度系数CTV:指温度每增加1℃时，稳定电压的相对变化量，即3.基本应用利用稳压管组成的简单的稳压电路如图1.15所示，R为限流电阻，RL为稳压电路的负载。当输入电压UI、负载RL变化时，该电路可维持电压UO的稳定。稳压二极管正常稳压工作时，有下述方程式：若RL不变，UI增大时，UO将会随着增大，加于二极管两端的反向电压增加，使电流IZ大大增加，IR也随之显著增加，从而使限流电阻上的压降IRR增大，其结果是，UI的增加量绝大部分都降落在限流电阻R上，从而使输出电压UO基本维持恒定。反之，UI下降时，IR减小，R上压降减小，从而维持UO基本恒定。若UI不变，负载电阻RL增大时，输出电压UO将会跟随增大，则流过稳压二极管的电流IZ大大增加，致使IRR增大，迫使输出电压UO下降。同理，若RL减小，使UO下降，则IZ显著下降，使IRR减小，迫使UO增大，从而维持了输出电压的稳定。2.2变容二极管PN结具有电容效应，当PN结反向偏置时它的反向电阻很大，近似开路，PN结可构成理想的电容器件，且其容量随加于PN结两端反向电压的增大而减小。变容二极管是利用PN结具有电容特性的原理制成的特殊二极管，如图1.16所示。1.2.3光电器件1.发光二极管发光二极管简称LED，它是一种将电能转换为光能的半导体器件，由化合物半导体制成，如图1.17所示。它也是由一个PN结组成，当加正向电压时，P区和N区的多数载流子扩散至对方与少子复合，复合过程中，有一部分以发光子的形式放出，使二极管发光。2.光电二极管光电二极管又称光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管，如图1.18所示。与普通二极管一样，其基本结构也是一个PN结。光电二极管工作在反向偏置下，在无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小，该电流称为暗电流，此时光电管的反向电阻高达几十兆欧。当有光照时，产生电子—空穴对，称为光生载流子;在反向电压作用下，光生载流子参与导电，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流，此时光电管的反向电阻下降至几千欧至几十千欧，与光照强度成正比。如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱而变化的电信号。光电二极管一般用作光电检测器件，将光信号转变成电信号。本章小结(1)PN结是构成半导体器件的基础。PN结由P型半导体和N型半导体相结合而成。PN结具有单向导