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1、,第9章 半导体二极管及其应用,9.1半导体二极管9.2稳压二极管9.3特殊二极管简介,9.1 半导体二极管1.半导体二极管的结构和符号半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗等。纯净的半导体又称为本征半导体，其原子排列整齐有序，呈晶体结构。半导体材料有几个重要性质，如热敏特性、光敏特性和掺杂特性。掺杂特性是指在半导体中掺入微量元素后，其导电能力大为提高,且在本征半导体中掺入不同的微量元素后,就会得到不同性质的半导体材料。例如,在本征半导体硅中掺入微量磷元素，就会形成电子型半导体,又称为N型半导体；掺入微量硼元素，就会形成空穴型半导体,又称为P型半导体。把N型半导体和P型半导体结合
2、在一起，其界面处就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。将PN结装上电极引线和管壳，就是半导体二极管，又称晶体二极管，简称二极管，其结构和符号如图9.1所示。,图9.1 二极管的结构和符号(a)结构示意图；(b)符号,2.半导体二极管的单向导电性二极管最为重要的特性是其单向导电性，即加正向电压(也叫正偏电压)导通，如图 9.2(a)所示，二极管的阳极接电源正极，阴极接电源负极，此时灯亮；加反向电压(也叫反偏电压)截止，如图9.2(b)所示，二极管的阴极接电源正极，阳极接电源负极，此时灯不亮。,图9.2 二极管的单向导电性(a)正偏导通；(b)反偏截止,3.半导体二极管的伏安特性二极管
3、的伏安特性是指二极管通过的电流与其端电压之间的关系，如图9.3所示。,图9.3 硅二极管的伏安特性,4.半导体二极管的主要参数(1)最大整流电流IF。它是二极管允许长期通过的最大正向平均电流。有些IF较大的二极管必须按规定加装散热片，否则可能因过热而烧坏。(2)最高反向工作电压URM。它是二极管工作时允许承受的最大反向工作电压，实际使用时其反向工作电压不要超过URM，以免造成二极管反向击穿而损坏。(3)最高工作频率fM。超过fM，二极管将失去单向导电性。此外，还有反向电流、正向电压等参数。,5.二极管的应用 利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅等功能。1)二极管整流电路二极管最基本的应用是
4、整流，即把交流电转换成脉动的直流电。图9.4(a)所示为二极管半波整流电路。若忽略二极管的死区电压和反向饱和电流，则可把二极管看成理想二极管，即把二极管作为一个开关，当输入电压为正半周时，二极管导通(相当于开关闭合)，uo=ui；当输入电压为负半周时，二极管截止(相当于开关打开)，uo=0。其输入、输出电压波形如图9.4(b)所示。,图9.4 二极管半波整流电路(a)电路；(b)输入、输出电压波形,2)二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化加以限制的电路，常用于波形变换和整形，如图9.5(a)所示。设ui=5 sintV，E=2 V，VD为理想二极管。当uiE时，二极
5、管导通，uo=E=2 V；当uiE时，二极管截止，电阻R中没有电流，uo=ui。输入、输出电压波形如图9.5(b)所示，显然该电路把输出电压的正峰值限制为2 V。,图9.5 二极管限幅电路(a)电路；(b)输入、输出电压波形,9.2 稳 压 二 极 管1.稳压二极管的伏安特性稳压二极管实际上也是一种面接触型硅二极管，简称稳压管，其伏安特性及符号如图9.6所示。从图中可看出，稳压管的伏安特性与普通二极管相似，但稳压管工作在反向击穿状态，即对应于特性曲线的AB段，称为击穿区。稳压管中的PN结经过了特殊处理，即使长时间工作在击穿区也不会损坏，一旦除去外加反向电压，PN结仍能恢复原状。特性曲线AB段的
6、特征是：当电流有较大变化时,稳压管两端的电压变化却很小,这一特性可用于稳压。,图9.6 稳压二极管的伏安特性及符号(a)伏安特性；(b)符号,2.稳压管的主要参数(1)稳定电压UZ。UZ指稳压管正常工作时(反向击穿状态)管子的端电压，一般为3 V25 V，高的可达200 V。(2)稳定电流IZ和IZmax。IZ指稳压管正常工作时的电流，IZmax指稳压管允许通过的最大反向电流。(3)额定功耗PZ。PZ指保证稳压管安全工作所允许的最大功率损耗，且PZ=UZIZmax,图9.7 稳压管稳压电路,3.稳压管的应用稳压管主要用于构成稳压电路，如图9.7所示。1)工作原理稳压电路的稳压原理如下：当交流电
7、源电压升高，引起稳压电路的输入电压Ui增大时，输出电压(即稳压管上的电压)Uo增加，这时稳压管的电流增加，使得电阻R上的电流增大，电阻R上的电压也增大，电阻R上的电压增量基本抵消了Ui的增量，所以输出电压Uo基本上可以保持不变，反之亦然。,2)电路元件的选择(1)稳压管的选择：稳压管IZ必须满足IZIZmax，稳压管的稳压值UZ应等于负载所需电压Uo(稳压管的稳定电压和稳定电流值可查晶体管手册)。多个稳压二极管也可串联使用，以获得较高的Uo值，但要注意稳压管不能并联使用。(2)限流电阻R的选择：若R的阻值太大，将造成稳压管不能击穿而失去稳压作用；若R的阻值太小，则当负载较轻时(负载电阻RL较大
8、)，可能会烧毁稳压管。选择R的阻值有两个原则：当Ui最大而IL最小时，R应满足UimaxUo+R(IZmax+ILmin)；而当Ui最小而IL最大时，R应满足UimaxUo+R(IZmax+ILmin)。,9.3 特殊二极管简介1.发光二极管(LED)发光二极管是一种能将电能转换成光能的特殊二极管，它的符号如图9.8所示。发光二极管的基本结构是一个PN结，通常是用元素周期表中、族元素的化合物如砷化镓、磷化镓等制成的。它的特性曲线和普通二极管相似，但正向导通电压一般为1 V2 V。当对管子施加正向电压时，会发出一定波长的可见光，光谱范围比较窄，其波长由所用材料决定。波长不同，所发光的颜色也不同，
9、常见的LED有红、绿、黄等颜色。发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式发光二极管，工作电流一般在几毫安至十几毫安之间。,图9.8 发光二极管的符号,2.光电二极管光电二极管在管壳上有一个玻璃窗口以便于接受光照，它的反向电流随着光照强度的增加而上升。图9.9是光电二极管的符号。其主要特点是反向电流与光照度成正比。光电二极管可应用于光的测量。当制成大面积的光电二极管时，光电二极管可作为一种能源使用，称为光电池。,图9.9 光电二极管的符号,2.光电二极管光电二极管在管壳上有一个玻璃窗口以便于接受光照，它的反向电流随着光照强度的增加而上升。图9.9是光电二极管的符号。其主要特点是反向电流与光照度成正比。光电二极管可应用于光的测量。当制成大面积的光电二极管时，光电二极管可作为一种能源使用，称为光电池。,3.变容二极管二极管存在着PN结电容，结电容的大小除了与二极管的结构和工艺有关外，还随反向电压的增加而减小，利用这种特性可制成变容二极管。图9.10所示为变容二极管的符号。不同型号的管子，其电容的最大值为5 pF300 pF。变容二极管的最大电容与最小电容之比约为51。变容二极管在高频技术中应用较多。,图9.10 变容二极管的符号,
