第9章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

1、1 1第9章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用9.1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管9.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管9.3特殊二極管簡(jiǎn)介特殊二極管簡(jiǎn)介2 29.1 半導(dǎo)體二極管1. 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅、鍺等。純凈的半導(dǎo)體又稱為本征半導(dǎo)體，其原子排列整齊有序，呈晶體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體材料有幾個(gè)重要性質(zhì)，如熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。摻雜特性是指在半導(dǎo)體中摻入微量元素后，其導(dǎo)電能力大為提高, 且在本征半導(dǎo)體中摻入不同的微量元素后, 就會(huì)得到不同性質(zhì)的半導(dǎo)體材料。例如, 在本征半導(dǎo)體硅中摻入微量磷元素，就會(huì)形成電子型半導(dǎo)體, 又稱為N型半導(dǎo)體；摻入微量

2、硼元素，就會(huì)形成空穴型半導(dǎo)體, 又稱為P型半導(dǎo)體。把N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，其界面處就形成了PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。將PN結(jié)裝上電極引線和管殼，就是半導(dǎo)體二極管，又稱晶體二極管，簡(jiǎn)稱二極管，其結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖9.1所示。3 3圖9.1 二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)(a) 結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 符號(hào)4 42. 半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦远O管最為重要的特性是其單向?qū)щ娦?，即加正向電?也叫正偏電壓)導(dǎo)通，如圖 9.2(a) 所示，二極管的陽(yáng)極接電源正極，陰極接電源負(fù)極，此時(shí)燈亮；加反向電壓(也叫反偏電壓)截止，如圖9.2(b)所示，二極管的陰極接電源正極，陽(yáng)

3、極接電源負(fù)極，此時(shí)燈不亮。5 5圖9.2 二極管的單向?qū)щ娦?a) 正偏導(dǎo)通； (b) 反偏截止6 63. 半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性二極管的伏安特性是指二極管通過的電流與其端電壓之間的關(guān)系，如圖9.3所示。圖9.3 硅二極管的伏安特性7 74. 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)(1) 最大整流電流IF。它是二極管允許長(zhǎng)期通過的最大正向平均電流。有些IF較大的二極管必須按規(guī)定加裝散熱片，否則可能因過熱而燒壞。(2) 最高反向工作電壓URM。它是二極管工作時(shí)允許承受的最大反向工作電壓，實(shí)際使用時(shí)其反向工作電壓不要超過URM，以免造成二極管反向擊穿而損壞。(3) 最高

4、工作頻率fM。超過fM，二極管將失去單向?qū)щ娦?。此外，還有反向電流、正向電壓等參數(shù)。8 85. 二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用 利用二極管的單向?qū)щ娦?，可?shí)現(xiàn)整流、限幅等功能。1) 二極管整流電路二極管最基本的應(yīng)用是整流，即把交流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電。圖9.4(a)所示為二極管半波整流電路。若忽略二極管的死區(qū)電壓和反向飽和電流，則可把二極管看成理想二極管，即把二極管作為一個(gè)開關(guān)，當(dāng)輸入電壓為正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通(相當(dāng)于開關(guān)閉合)，uo=ui；當(dāng)輸入電壓為負(fù)半周時(shí)，二極管截止(相當(dāng)于開關(guān)打開)，uo=0。其輸入、輸出電壓波形如圖9.4(b)所示。9 9圖9.4 二極管半波整流電路(a) 電路；(b)

5、輸入、輸出電壓波形10102) 二極管限幅電路限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化加以限制的電路，常用于波形變換和整形， 如圖9.5(a)所示。設(shè)ui=5 sintV，E=2 V，VD為理想二極管。當(dāng)uiE時(shí)，二極管導(dǎo)通， uo=E=2 V；當(dāng)uiE時(shí)，二極管截止，電阻R中沒有電流，uo=ui。輸入、輸出電壓波形如圖9.5(b)所示， 顯然該電路把輸出電壓的正峰值限制為2 V。1111圖9.5 二極管限幅電路(a) 電路； (b) 輸入、輸出電壓波形12129.2 穩(wěn) 壓 二 極 管1. 穩(wěn)壓二極管的伏安特性穩(wěn)壓二極管的伏安特性穩(wěn)壓二極管實(shí)際上也是一種面接觸型硅二極管，簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管

6、，其伏安特性及符號(hào)如圖9.6所示。從圖中可看出，穩(wěn)壓管的伏安特性與普通二極管相似，但穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)于特性曲線的AB段，稱為擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管中的PN結(jié)經(jīng)過了特殊處理，即使長(zhǎng)時(shí)間工作在擊穿區(qū)也不會(huì)損壞，一旦除去外加反向電壓，PN結(jié)仍能恢復(fù)原狀。特性曲線AB段的特征是：當(dāng)電流有較大變化時(shí), 穩(wěn)壓管兩端的電壓變化卻很小, 這一特性可用于穩(wěn)壓。1313圖9.6 穩(wěn)壓二極管的伏安特性及符號(hào)(a) 伏安特性； (b) 符號(hào)14142. 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)(1) 穩(wěn)定電壓UZ。UZ指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)(反向擊穿狀態(tài))管子的端電壓，一般為3 V25 V，高的可達(dá)200 V。(2) 穩(wěn)

7、定電流IZ和IZmax。IZ指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流，IZmax指穩(wěn)壓管允許通過的最大反向電流。(3) 額定功耗PZ。PZ指保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功率損耗，且PZ=UZIZmax1515圖9.7 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 16163. 穩(wěn)壓管的應(yīng)用穩(wěn)壓管的應(yīng)用穩(wěn)壓管主要用于構(gòu)成穩(wěn)壓電路，如圖9.7所示。1) 工作原理穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)交流電源電壓升高，引起穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui增大時(shí)，輸出電壓(即穩(wěn)壓管上的電壓)Uo增加，這時(shí)穩(wěn)壓管的電流增加，使得電阻R上的電流增大，電阻R上的電壓也增大，電阻R上的電壓增量基本抵消了Ui的增量，所以輸出電壓Uo基本上可以保持不變， 反之亦然。17172)

8、 電路元件的選擇(1) 穩(wěn)壓管的選擇：穩(wěn)壓管IZ必須滿足IZIZmax，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ應(yīng)等于負(fù)載所需電壓Uo(穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定電流值可查晶體管手冊(cè))。多個(gè)穩(wěn)壓二極管也可串聯(lián)使用，以獲得較高的Uo值，但要注意穩(wěn)壓管不能并聯(lián)使用。(2) 限流電阻R的選擇：若R的阻值太大，將造成穩(wěn)壓管不能擊穿而失去穩(wěn)壓作用；若R的阻值太小，則當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)(負(fù)載電阻RL較大)，可能會(huì)燒毀穩(wěn)壓管。選擇R的阻值有兩個(gè)原則：當(dāng)Ui最大而IL最小時(shí)，R應(yīng)滿足UimaxUo+R(IZmax+ ILmin)；而當(dāng)Ui最小而IL最大時(shí)，R應(yīng)滿足UimaxUo+R(IZmax+ILmin)。18189.3 特殊二極管簡(jiǎn)介特

9、殊二極管簡(jiǎn)介1. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管是一種能將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管，它的符號(hào)如圖9.8所示。發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，通常是用元素周期表中、族元素的化合物如砷化鎵、磷化鎵等制成的。它的特性曲線和普通二極管相似，但正向?qū)妷阂话銥? V2 V。當(dāng)對(duì)管子施加正向電壓時(shí)，會(huì)發(fā)出一定波長(zhǎng)的可見光，光譜范圍比較窄，其波長(zhǎng)由所用材料決定。波長(zhǎng)不同，所發(fā)光的顏色也不同，常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發(fā)光二極管常用來(lái)作為顯示器件，除單個(gè)使用外，也常做成七段式或矩陣式發(fā)光二極管，工作電流一般在幾毫安至十幾毫安之間。1919圖9.8 發(fā)光二極管的符號(hào) 20202. 光電二極

10、管光電二極管光電二極管在管殼上有一個(gè)玻璃窗口以便于接受光照，它的反向電流隨著光照強(qiáng)度的增加而上升。圖9.9是光電二極管的符號(hào)。其主要特點(diǎn)是反向電流與光照度成正比。光電二極管可應(yīng)用于光的測(cè)量。當(dāng)制成大面積的光電二極管時(shí)，光電二極管可作為一種能源使用，稱為光電池。2121圖9.9 光電二極管的符號(hào) 22222. 光電二極管光電二極管光電二極管在管殼上有一個(gè)玻璃窗口以便于接受光照，它的反向電流隨著光照強(qiáng)度的增加而上升。圖9.9是光電二極管的符號(hào)。其主要特點(diǎn)是反向電流與光照度成正比。光電二極管可應(yīng)用于光的測(cè)量。當(dāng)制成大面積的光電二極管時(shí)，光電二極管可作為一種能源使用，稱為光電池。23233. 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管二極管存在著