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1、1.1 PN结1.1.1 半导体基础知识1.1.2 PN结1.2 半导体二极管1.2.1 基本结构、种类与符号1.2.2 伏安特性1.2.3 主要参数1.2.4 使用注意事项 1.3 二极管应用1.3.1 整流1.3.2 检波1.3.3 钳位1.3.4 限幅1.3.5 元件保护,1.4 特殊二极管1.4.1 稳压二极管1.4.2 发光二极管1.4.3 光敏二极管1.4.4 变容二极管1.4.5 隧道二极管1.4.6 肖特基二极管1.4.7 片式二极管1.4.8 快恢复二极管,第1章 半导体二极管及其应用,目录,本章要点: 半导体基础知识 PN结单向导电性 半导体二极管结构、符号、伏安特性及应用
2、 特殊二极管,本章难点: 半导体二极管伏安特性 半导体二极管应用,第1章 半导体二极管及其应用,1.1 PN结,在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,1.半导体特性导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。(1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)
3、掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。,.半导体基础知识,动画演示,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,2. 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称
4、为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,自由电子 带负电荷 逆电场运动 电子流,总电流,空穴 带正电荷 顺电场运动 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,3. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,(1) N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子
5、,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,(2) P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度本征激发产生，与温度有关,多子浓度掺杂产生与，温度无关,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1.2.1 PN结,1 . PN结的形成,动画演示,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,2. PN结的单向
6、导电性,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,动画演示,(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,动画演示,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，
7、PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,动画演示,1.2 半导体二极管,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,1.结构,符号,1.2.1 基本结构、种类与符号,2.二极管按结构分三大类：,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3) 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。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,.2.2 VA特性曲线,硅：0.5 V 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,
8、(2) 反向特性,死区电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,(1)正向特性： 对应于图1-12曲线的第段，为二极管伏特性的正向特性部分。这时加在二极管两端的电压不大，从数值上看，只有零点几伏，但此时流过二极管的电流却较大，即此时二极管呈现的正向电阻较小。一般硅管正向导通压降约为0.60.7V, 锗管约为0.20.3V。 硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。,(2)反向特性： 对应于图1-12曲线的第段，是当二极管加反向电压的情况。当外加反向电压时，由于少数载流子的漂移，可以形成反向饱和电流，又由于少子的数目少，因此反向电流很小，用IS表示。,(3) 反向击穿特性：
9、对应于特性曲线的第段。当作用在二极管的反向电压高达某一数值后，反向电流会剧增，而使二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿，所对应的电压称为击穿电压。,二极管的反向击穿，亦即PN结的反向击穿，可分为热击穿与电击穿两种。,理想二极管的电流与端电压之间有如下关系,为温度电压当量，在室温T=300K时，,(1-1),动画演示,1.2.3主要参数,最大整流电流Is：指二极管在长期运行时，允许通过的最大 正向平均电流。最高反向工作电压URM：指二极管运行时允许承受的最高反向电压。3. 反向电流IR：指二极管在加上反向电压时的反向电流值。 4. 最高工作频率fM：此参数主要由PN 结的结电容决定，结电容越大
10、，二极管允许的最高工作频率越低。,(2) 应根据需要正确地选择型号。,1.2.4 使用注意事项,(1) 在电路中应按注明的极性进行连接。,(3) 引出线的焊接或弯曲处，离管壳距离不得小于10mm。,(4) 应避免靠近发热元件，并保证散热良好。,(5) 对整流二极管，建议反向电压降低20%再使用。,(6) 切勿超过手册中规定的最大允许电流和电压值。,(7) 二极管的替换。硅管与锗管不能互相代用。,1.3 二极管应用,1.3.1 整流,所谓整流，就是将交流电变为单方向脉动的直流电。整流电路是二极管的主要应用领域之一。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，
11、便可获得平稳的直流稳压电源。,1.3.2 检波,就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小(100mA)作为界限，通常把输出电流小于100mA的叫检波。,动画演示,1.3.3 钳位,利用二极管正向导通时压降很小的特性可组成钳位电路如图所示.若A点VA=0，二极管D可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即 VF0。,二极管钳位电路,1.3.4 限幅,利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。,限制输出电压正半周幅度的限幅电路,限制输出电压负半周幅度的限幅电路,双向限幅电路,动画演示,1.3.5
12、元件保护,在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，在如图所示的电路中，L和R是线圈的电感和电阻。,二极管保护电路,动画演示,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压UZ 反向击穿,UZ,1.4.1 稳压二极管,1.4 特殊二极管,稳压二极管稳压过程,稳压管稳压电路,稳压过程,稳压二极管的主要 参数,(1) 稳定电压UZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =U /I rZ愈小，反映稳压
13、管的击穿特性愈陡。,(3) 最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,(4) 最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,【例1-1】在图中，已知稳压二极管的,，已知,，,时,求Uo,稳压二极管的正向导通压降,。当,稳压电路,解 当,，,反向击穿稳压,，,正向导通，,；,同理，,1.4.2 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。,发光二极管的符号如图所示。发光二极管常用于作为显示器件，可单个使用，也可作成7段式或矩阵式，工作时加正向电压，并接入相应的限流电阻，工作电流一般为几毫安到几十毫安
14、，正向导通时的管压降为1.82.2V。,发光二极管符号,1.4.3 光敏二极管,光敏二极管又称为光电二极管，它是将光能转换为电能的半导体器件。,其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的窗口。其符号如图所示。,光敏二极管符号,光敏二极管的特性曲线,1.4.4 变容二极管,用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。变容二极管符号如图所示。通过施加反向电压，使其PN结的静电容量发生变化，因此，常用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。,变容二极管符号,1.4.5 隧道二极管,隧道二极管是因为用含有大量杂质的本征半导体制作PN结时，会产生极薄的耗尽层，若加正
15、向偏压，则在达到扩散电位之前，由于隧道效应而发生电流流动。若接近扩散电位，则为通常的二极管特性，所以如图1-26所示，在正向电压低的范围，显示出负的电阻。,隧道二极管的电压电流特性,隧道二极管的优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。,1.4.6 肖特基二极管,肖特基二极管(Schottky Barrier Diode)是利用金属与半导体接触形成金属-半导体结制作二极管。其金属材料采用金、钼、镍、钛等材料，其半导体材料采用硅或砷化镓，多为N型半导体。,它是高频和快速开关的理想器件，其工作频率可达100GHz。,常用的肖特基二极管有DB
16、0-004、MBR1545、MBR2535型等。,1.4.7 片式二极管,片式二极管的外型如图所示，外壳一般为黑色，内部为PN结，根据外型可分为圆柱形片式二极管图 (a)和矩形片式二极管图b所示，它们都没有引线，其两个端面就为正、负极。其中标有白色竖条的一端为负极，另一端则为正极。,片式二极管的外形,1.4.8 快恢复二极管,1. 快恢复二极管的特点,快恢复二极管的结构与普通二极管不同，它不是一个单一的PN结，而是在P型与N型硅材料中间增加了一个基区I，构成PIN硅层，这种结构的二极管，由于基区很薄、反向恢复电荷很少、故使该种二极管的反向恢复时间大为减少，其值一般为几百纳米以下。同时使它的正向
17、压降较低，而使反向峰值电压得到提高，其值可达几千伏。,快恢复二极管(FRD)的优点是反向恢复时间短、开关特性好、体积小。广泛用于脉宽调制器、不间断电源、开关电源、变频调速器等电路中，作为高频大电流整流、续流二极管应用。,快恢复二极管的内部结构和外形如图所示。其内部结构可分为单管和对管两种，在对管内部有两只快恢复二极管，由于这两只管子的接法不同，又可分为共阴对管和共阳对管。,快恢复二极管的内部结构和外形,2. 快恢复二极管的检测,将万用表置于R1k挡，测快恢复二极管的正、反电阻值，正向电阻值一般为几欧姆，反向电阻值为，如果测得的阻值为或0，则表明被测管损坏。对管的检测方法与上述方法基本相同，但必
18、须首先确定其共用端是哪个引脚，然后再用上述方法对各个二极管进行检测。,3. 快恢复二极管的选用与使用,快恢复二极管广泛应用于不间断电源、开关电源、交流电动机的变频调速器、脉宽调制器等电路中，作高频、高压、大电流整流、续流二极管用。具体选用时应根据具体电路的要求，选择合适参数的管子。,在选用时如果单管的参数不能满足要求而对管能满足要求时，则可把对管当作单管使用。在使用对管中如有一只管子损坏，则可作单管使用。,本章小结,1半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。2采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。3二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。4.二极管的应有用。,
