第1章半导体二极管及其应用ppt课件.pptx

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1、第1章 半导体二极管及其应用电子技术基础第1章 半导体二极管及其应用 电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础。随着新型电子材料的出现，电子器件发生了深刻变革。自1906年第一只电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。第1章 半导体二极管及其应用 1.1半导体 1.1.1 半导体概述 在自然界中，导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。 最常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge

2、）。硅和锗的原子结构如图1-1所示。这种结构的原子利用共价键构成了本征半导体结构。第1章 半导体二极管及其应用第1章 半导体二极管及其应用 1.1.2 PN结及其单向导电性 往本征半导体的不同区域分别掺入五价和三价杂质元素可以制作出N型区与P型区，在P区与N区的结合部（交界地方）就形成了PN结。 1本征半导体 本征半导体就是完全纯净的半导体。其结构如图1-2所示。这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。第1章 半导体二极管及其应用 本征半导体在受热或光照（本征激发）的情况下，将产生电子和空穴。本征激发使空穴和自由电子成对产生。相遇复合时，又成对消失。如图1-3所示。第1章

3、半导体二极管及其应用 在外电场作用下，电子运动形成电子电流，价电子填补空穴而使空穴移动，形成空穴电流。 因此，在半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。这就是半导体和金属导电原理的本质区别。 本征半导体的特点如下： （1）电阻率大； （2）导电性能随温度变化大。 本征半导体不能在半导体器件中直接使用。第1章 半导体二极管及其应用 2掺杂半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体称为掺杂半导体。根据掺杂的不同，杂质半导体分为P型导体和N型导体。 1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素（如磷、砷）后，每掺入一个磷原子就相当于向半导体内部注入一个自由电

4、子，于是半导体中产生了大量的自由电子和正离子。如图1-4所示。这种以自由电子为多数载流子的半导体称为N型半导体。第1章 半导体二极管及其应用 由此可见： （1）N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质元素形成的。 （2）N型半导体中产生了大量的（自由）电子和正离子 （3）电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流子，简称少子。 （4）因电子带负电，称这种半导体为N（negative）型或电子型半导体。 （5）因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。第1章 半导体二极管及其应用 2）P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。每掺入一个硼原子就相当于向半导体内部注入一个空穴，半导体中产

5、生了大量的空穴和负离子。这种以空穴为多数载流子的半导体称为P型半导体。如图1-5所示。第1章 半导体二极管及其应用 由此可见： （1）P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素形成的。 （2）P型半导体产生大量的空穴和负离子。 （3）空穴是多数载流子，电子是少数载流子。 （4）因空穴带正电，称这种半导体为P（positive）型或空穴型半导体。 （5）因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。第1章 半导体二极管及其应用 3PN结的形成 以N型半导体为基片，通过半导体扩散工艺，使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。如图1-6所示。 在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。电子从 N区向P

6、区扩散，空穴从 P区向N区扩散。于是，在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子，产生空间电荷层，这样就形成了PN结。如图1-7所示。第1章 半导体二极管及其应用 PN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面加速少子的漂移。当扩散与漂移作用平衡时，形成内电场，内电场的方向如图1-8所示。这时： （1）流过PN结的净电流为零； （2）PN结的厚度一定（约几个微米）； （3）接触电位一定（约零点几伏）。第1章 半导体二极管及其应用 4PN结的单向导电性 （1）PN结正向偏置 当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置，简称正偏。如图1-9所示。 正向

7、偏置时，内电场被削弱，PN结变窄，多子进行扩散，PN结呈现低阻、导通状态。第1章 半导体二极管及其应用 （2）PN结反向偏置 当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，简称反偏。如图1-10所示。 此时，内电场增强，PN结变宽，PN结呈现高阻、截止状态。不利多子扩散，有利少子漂移。 因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。此电流称为反向饱和电流，记为IS。 当外电压作用于PN结，只有当外电场使内电场减弱时（即P为正极、N为负极时），电流才能从P区流向N区。可见，PN结具有单向导电性。第1章 半导体二极管及其应用 1.2 半导体二极管

8、 将PN结进行封装，就成为了半导体器件，这种半导体器件就是半导体二极管。半导体二极管俗称二极管。它有两个电极，分别称为阳极（又称正极）和阴极（又称负极）。 1.2.1 二极管的结构和分类 按照使用的半导体材料不同，二极管可分为硅管、锗管两种。按照结构形式的不同可分为点接触型和面接触型以及平面型。如图1-11所示。按照外壳封装形式的不同有塑料封装二极管、玻璃封装二极管、金属封装二极管、表面封装二极管。第1章 半导体二极管及其应用第1章 半导体二极管及其应用 常用二极管的种类按功能进行划分，如表1-1所示。 二极管的极性可通过外观进行判别：大功率管的螺栓端为负极；塑封管和玻封管以及贴片二极管在管体

9、一端上有白色或黑色色环的一端为负极（如果是用色点表示，则有色点的一端是正极）；同向引脚的二极管（如发光二极管和光电二极管），其引脚长的那根为正极。 如果二极管外观标识不清，则应通过万用表进行测量区分正负极。第1章 半导体二极管及其应用第1章 半导体二极管及其应用 1.2.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性是指在二极管两端加电压时，通过二极管的电流与所加电压之间的关系，把这种关系用曲线表示，就称之为伏安特性曲线。二极管的伏安特性如图1-12所示。第1章 半导体二极管及其应用 1正向特性 给二极管两端加上正向电压后，当uVD UTH（UTH是二极管的门限电压，又称为死区电压，在室温条件下，硅二

10、极管的UTH约为0.5V，锗二极管的UTH约为0.1V）时，二极管才能导通。二极管处于正向导通时，硅二极管的导通电压约为0.7V，锗二极管导通电压约为0.3V，二极管导通后，极间电阻约等于0，rVD = 0。 2反向特性 二极管两端加上反向电压时，反向饱和电流为IS，近似为IS 0，rVD ，二极管相当于开路。 3反向击穿特性 当反向电压达到图中UZ的值时，二极管进入反向击穿状态。稳压二极管就是利用反向击穿特性工作的。普通二极管如果工作在反向击穿状态，极易因击穿而损坏。 备注：单向导电性是二极管的最为重要特性。第1章 半导体二极管及其应用二极管的主要参数二极管的主要参数如下。（1）正向工作电流

11、IF：在额定功率条件下，允许通过二极管的电流值。（2）正向电压降VF：二极管通过额定正向电流时，在两极间所产生的电压降。（3）最大整流电流（平均值）IOM：在半波整流连续工作的情况下，允许的最大半波电流的平均值。（4）反向击穿电压VB：二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值。（5）正向反向峰值电压VRM：二极管正常工作时所允许的反向电压峰值，通常VRM为VP峰点电压的三分之二或略小一些。（6）反向电流IR：在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。（7）结电容C：结电容包括势垒电容和扩散电容，在高频场合下使用时，要求结电容小于某一规定数值。（8）最高工作频率FM：二极管具有单向

12、导电性的最高交流信号的频率。第1章 半导体二极管及其应用 二极管的等效电路及其应用 由于二极管的非线性特性，当电路中加入二极管时，便成为非线性电路，严格分析这种电路非常困难，实际应用中通常根据二极管应用条件做合理近似等效。即理想二极管在导通时相当于短路，管压降为0V；截止时二极管相当于开路，没有电流通过。 二极管的工作状态有导通、截止两种。二极管的导通和截止状态如下表1-2所示。第1章 半导体二极管及其应用第1章 半导体二极管及其应用1整流整流就是把交流电变为脉动直流电。得用二极管的单向导电特性，可以实现整流。整流后得到的直流电再经滤波和稳压，就可以得到平稳的直流电了。一般情况下，用于整流的二

13、极管比较多，它是将交流电源整流成为直流电流，这种二极管叫作整流二极管，它是面结合型的功率器件，因结电容大，故工作频率低。通常，IF在 1 安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；IF在 1 安以下的采用全塑料封装，由于近代工艺技术不断提高，国外出现了不少较大功率的管子，也采用塑封形式。2限幅利用二极管导通后压降很小且基本不变的特性，可以构成限幅电路，使输出电压幅度限制在某一范围以内。3保护在电子电路中，常利用二极管来保护其他元器件免受过高压的损害。第1章 半导体二极管及其应用 1.3特殊二极管 1.3.1 稳压管 稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管，它是利用 PN 结反向击穿时的电

14、压基本上不随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的，因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。 稳压管的伏安特性曲线如图1-13所示，当反向电压达到 VZ时，即使电压有一微小的增加，反向电流亦会猛增（反向击穿曲线很徒直）这时，二极管处于击穿状态，如果把击穿电流限制在一定的范围内，管子就可以长时间在反向击穿状态下稳定工作。第1章 半导体二极管及其应用 稳压管的典型应用电路如图1-14所示。假设某种原因（如输入电源电压升高）使输出电压UO增大，则稳压管UVD增大，通过稳压管的电流IVD快速增大，IVD是通过限流电阻R上的电流I的一部分，则I增大，R两端电压UR增大，使UO趋于稳

15、定。即 UOIVDIUR（UI-UR）UO 图1-14 稳压管应用电路 稳压二极管稳压值的标识一般标注在管体上，若小功率稳压二极管体积小，在管子上标注型号较困难时，有些国外产品采用色环来表示它的标称稳定电压值。第1章 半导体二极管及其应用 1.3.2 发光二极管 发光二极管简称LED，是用特殊的半导体材料制成的，材料不同所发出的光的颜色也就不同。 发光二极管的正向工作电压比普通二极管的要高，约在1.53.0V。不同颜色的发光二极管正向电压不同。通过发光二极管的电流越大发光越亮，但电流不得超过最大值，以免烧毁。发光二极管的工作电流一般为1030mA，反向击穿电压约在5V左右，使用中不应使发光二极

16、管承受超过5V的电压。 使用时注意：理想是采用恒流驱动，当电压驱动时必须注意限流！ 发光二极管应用很广，除单色发光二极管外，还有变色发光二极管（三端引脚），还可以根据需要做成各种字符，这就是常用的发光数码管。第1章 半导体二极管及其应用 1.3.3 光电二极管 光电二极管又称光敏二极管，是一种能将接收的光信号转换为电信号输出的二极管。其基本特性是在光照的条件下产生电流。 为便于接收入射光线，光电二极管在管壳顶部留有透明的窗口，为提高光电转换效率，其PN结的面积做得较大。 光电二极管应工作在反向偏置状态。光电二极管无光照时，其反向电阻很大，只有极小的反向漏电流（0.3A），称为暗电流；当有光照时

17、，产生与光强成正比的电流（称为光电流），该电流流经负载，产生输出电压uo，这样就实现了光信号到电信号的转换。如图1-15所示。第1章 半导体二极管及其应用 1.3.4 变容二极管 变容二极管是利用PN 结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛地用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中，变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提高 Q 值 （电容Q值实质上就是代表该电容的品质因数，我们知道任何一个电容器都不会是理想的电容器，在电容器通过交流信号时都会或多或少的产生功率损耗，这个损耗主要消耗在电容器本身的等效串联电阻和两极间的绝缘介质上

18、。通常为了表示该电容器品质好坏用某一频率下电容器损耗功率与电容器存储功率(无功功率)之比来表示，这个比值就是该电容器的Q值）以适合应用。变容二极管的结构与普通二极管相似，几种常用变容二极管的型号参数如表1-3所示。第1章 半导体二极管及其应用第1章 半导体二极管及其应用 变容二极管工作在反偏状态，其PN结相当一个小电容。由C = S / d可知，在电容极板面积不变的情况下，两极板间的距离与电容值成反比，所以通过改变所加反偏电压的大小，就改变了结电场之间的距离，从而改变了电容值的大小。如图1-16所示。第1章 半导体二极管及其应用本章小结1二极管是由PN结构成的，PN结的单向导电性决定了二极管的

19、单向导电性。给二极管外加正向电压且等于或大于导通电压UTH时，二极管导通；当给二极管外加反向电压时，二极管截止。2二极管的伏安特性是二极管的电流与电压关系曲线，总体上反映了二极管的特性。正向特性区域的非线性和近似线性关系是很重要的，不同用途的二极管所使用的线段不同。反向特性区域分为反向截止段和反向击穿段。稳压二极管工作在击穿段。3二极管的主要参数在整流电路中最关注的有：最大整流电流IF和最高反向工作电压URM。4特殊二极管指的是具有特殊用途的二极管：稳压二极管用于稳压电路，发光二极管用作指示电路，二极管数码管是数字电路中常用的显示器件，光电二极管是重要的光电转换器件。变容二极管是利用PN结的电容量随外加电压变化的特性制成的二极管，常用作高频调谐电路，很多场合都要用到。5简单的直流稳压电路是由变压器、整流电路、滤波电路和稳压管稳压电路构成。第1章 半导体二极管及其应用