半導體二極管課件

1.1半導體二極管半導體二極管是由一個PN結(jié)封裝制成的器件，二極管按所用材料的不同分硅管和鍺管；按結(jié)構(gòu)分為點接觸型、面接觸型和平面型三類。點接觸型二極管因結(jié)面積小，不能通過較大電流，但結(jié)電容小，適宜在高頻下工作，常用于高頻檢波、變頻，有時也用作小電流整流，常用的型號有2AP1…2AP7；面接觸型因結(jié)面積較大，允許通過較大的電流和具有較大的功率容量，適用于作整流器件，而結(jié)電容較大，一般適用于在較低的頻率下工作，常用的型號有2CP33等；平面型二極管采用光刻、擴散的工藝制成，常用于數(shù)字電路。半導體二極管符號、特性、參數(shù)1.二極管的符號二極管是由PN結(jié)加相應的電極和管殼封裝制成的，如下圖，P區(qū)的引出線稱二極管的正極，N區(qū)的引出線稱二極管的負極。雖然二極管在材料和制造工藝上各不相同，但在電路圖中均可用圖的電氣符號來表示，圖中ID的箭頭表示二極管導通時的電流方向。

二極管的伏安特性二極管的伏安特性是指二極管兩端的電壓和流過二極管的電流的關(guān)系曲線，它是二極管應用的理論根據(jù)。二極管的伏安特性可用逐點描法或用專用的晶體管特性圖示儀直接測得。圖所示為二極管的伏安特性曲線。現(xiàn)對該曲線進行分段說明。(1)正向特性。OA段：常稱“死區(qū)〞，表示由于起始局部正向電壓較小，正向電流也非常小，幾乎為零，OA段的電壓稱死區(qū)電壓或門檻電壓UT，其大小隨管子的材料和溫度的不同而改變，一般取硅管為0.5V，鍺管為0.1V。AB段：稱為正向?qū)▍^(qū)，表示外加電壓越過死區(qū)電壓后，隨著電壓增大，正向電流急速增大，二極管正常導通后管子兩端的正向壓降很小，且?guī)缀醪浑S電流而改變，一般取硅管為0.7V，鍺管為0.3V。(2)反向特性。OC段：稱為反向截止區(qū)，表示反向電壓增加時，反向電流IS很小且?guī)缀醪蛔儯」β使韫躀S小于1μA，鍺管IS為幾微安到幾十微安，通常都可忽略，但IS受溫度影響大，實驗證明，溫度每升高10℃時，Is將增大一倍。CD段：稱為反向擊穿區(qū)，表示反向電壓增大到超過某一值時，反向電流急劇增大，這一現(xiàn)象稱為反向擊穿，反向擊穿時所加的電壓叫反向擊穿電壓，記為UBR，反向擊穿電流過大會使普通二極管燒壞，稱為擊穿短路。二極管的主要參數(shù)電子器件的參數(shù)是其特性的定量描述，也是實際工作中根據(jù)要求選用器件的主要依據(jù)。二極管的主要參數(shù)有以下幾個：(1)最大整流電流IF。指二極管長期平安應用時，允許通過管子的最大正向平均電流。IF的數(shù)值是由二極管允許的溫升所限定的。使用時，管子的平均電流不得超過此值，否那么，二極管PN結(jié)將可能因過熱而損壞。(2)最大反向工作電壓UR。指工作時加在二極管兩端的反向電壓不得超過此值，為了留有余地，手冊上查到的UR通常取反向擊穿電壓UBR的一半。(3)反向電流IS。指在室溫條件下，二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流值。IS越小，管子的單向?qū)щ娦栽胶?。值得注意的是，IS受環(huán)境溫度的影響大，在使用二極管時，要注意溫度的影響。二極管的主要參數(shù)(4)最高工作頻率fDM。指二極管在工作時可到達的最高的工作頻率，是因為二極管結(jié)電容CJ對交流電流有旁路作用。例如，用于檢波的二極管，其結(jié)電容小，那么fDM較高；而用于整流的二極管，結(jié)電容較大，fDM較低。(5)直流電阻RD和交流電阻rD：①直流電阻RD。指二極管兩端所加的電壓UD與流過管子的直流電流ID之比值，用式子表示，即二極管兩端所加正向電壓UD和流過的直流電流ID，在二極管的伏安特性曲線上找到相應的一點Q，該點稱為靜態(tài)工作點。在圖1.3(a)中，RD實際上是原點O與Q點連線的斜率的倒數(shù)，從圖中可以看出，Q點位置越高，斜率越大，直流電阻越小，二極管的正向直流電阻隨著ID的增大而減小。而由于二極管的反向電流很小，所以反向電阻很大。一般二極管的正向直流電阻約幾十歐到幾千歐之間，反向直流電阻約為幾十千歐到幾百千歐。因此，二極管的直流電阻具有非線性的特性，所以在用萬用表測二極管正向直流電阻時，不同的歐姆擋測得的正向直流阻值是不同的。(a)二極管直流電阻(b)二極管交流電阻圖1.3二極管的直流電阻和交流電阻②交流電阻rD。二極管在工作點Q附近的電壓微小變化量與相應的電流的微小變化量之比值，用式子表示為由于正向電壓與正向電流不是線性的關(guān)系，不同的工作點具有不同的交流電阻。求Q點的交流電阻時，先在圖1.3(b)中通過Q點對特性曲線做切線，交流電阻是該切線斜率的倒數(shù)。可以看出，在工作點Q處，二極管的直流電阻大而交流電阻小。二極管單向?qū)щ娞匦詰秒娐方榻B1.半波整流和橋式整流電路電子設(shè)備所需的直流電源，除少數(shù)情況用化學電池外，大局部都是由交流電網(wǎng)經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的。整流，就是通過二極管的單向?qū)щ娦缘淖饔茫呀涣麟娮兂芍绷麟姷倪^程，單相整流電路分半波整流電器路和橋式整流電路。(a)半波整流電路(b)半波整流輸入輸出的電壓波形圖1.4半波整流(1)半波整流電路。圖1.4(a)所示為純電阻負載的半波整流電路，由交流變壓器T，整流二極管VD和負載電阻RL組成。其中u1表示電網(wǎng)電壓，u2表示變壓器次級邊電壓。設(shè)u2＝U2sinωt，由于二極管的單向?qū)щ娦缘淖饔?，當電源電壓為正半周時，二極管承受正向的電壓而導通，有電流流過負載，負載上得到一個上正下負的電壓，當忽略二極管上的電壓降時，負載上的電壓uL等于電源變壓器次級邊的電壓u2；當電源電壓為負半周時，二極管承受反向電壓而截止，沒有電流流過負載，此時，負載上的電壓uL＝0。整流波形如圖1.4(b)所示。由圖1.4可以看出，一個周期內(nèi)負載上只有半個電壓波形輸出，方向是單方向的，大小卻是變化的，稱脈動直流電壓，它的大小常用一個周期內(nèi)的平均值來表示。(a)橋式整流電路(b)橋式整流輸入輸出的電壓波形圖1.5橋式整流(2)橋式整流電路。圖1.5(a)所示為橋式整流電路，設(shè)電源變壓器的次級邊電壓u2＝U2sinωt，四只二極管接成電橋的形式，當電源為正半周時，VD1、VD3承受正向電壓而導通，VD2、VD4承受反向電壓而截止，導電通路為a→VD1→RL→VD3→b，負載上流過電流；當電源為負半周時，VD2、VD4承受正向電壓而導通，VD1、VD3承受反向電壓而截止，導通回路為b→VD2→RL→VD4→a，負載上流過電流，即一個周期內(nèi)負載上都有電流流過，且方向一致，uL為雙半周波形。如圖1.5(b)所示。2．二極管限幅電路(a)二極管限幅電路(b)電路(a)的輸入輸出波形圖1.6二極管限幅電路3．二極管鉗位電路(a)二極管鉗位電路(b)二極管鉗位電路的輸入輸出電壓波形圖1.7二極管鉗位電路4．利用二極管改變RC充放電時間的電路(a)利用二極管減少充電時間的電路(b)圖(a)所示電路的輸入輸出電壓波形圖1.8利用二極管減少RC充電時間的電路及輸入輸出電壓波形(a)利用二極管減少放電時間的電路(b)圖(a)的輸入輸出電壓波形圖1.9利用二極管減少RC放電時間的電路及輸入輸出電壓波形如何用萬用表判別二極管的好壞和正負極1．判別二極管的極性用萬用表測量二極管的極性時，如圖1.10所示，把萬用表的開關(guān)置于R1K或100擋(注意調(diào)零)，各測二極管的正、反向電阻一次，假設(shè)測得阻值小的一次，黑表筆(接內(nèi)電池的正極)所接的一極為二極管的正極，反之，測得阻值大的一次，紅表筆(接內(nèi)電池負極)所接的一極為二極管的正極。圖1.10二極管極性的判別2．判別二極管性能的好壞在判別二極管的極性時，假設(shè)測得正反向的阻值相差越大，表示二極管的單向?qū)щ娦栽胶?，一般二極管的正向電阻約幾千歐，反向電阻約幾百千歐。假設(shè)測得二極管的正、反向電阻阻值相近，表示二極管已壞。假設(shè)測得二極管正、反向阻值很小或為零，表示管子已被擊穿，兩電極已短路。假設(shè)測得正、反向阻值都很大，那么說明管子內(nèi)部已斷路，不能再使用。特殊二極管符號、名稱、功能介紹1．穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是用特殊工藝制成的特殊二極管，它工作于反向擊穿區(qū)，具有穩(wěn)壓的功能。它的伏安特性曲線和電氣符號如圖1.11所示。(a)穩(wěn)壓管的伏安特性曲線(b)穩(wěn)壓管的電氣符號圖1.11穩(wěn)壓管的伏安特性曲線和電氣符號從特性曲線看，穩(wěn)壓管與普通二極管極其相似，只是穩(wěn)壓管的反向擊穿特性曲線更陡，當二極管反向擊穿后，流過管子的電流在很大的范圍內(nèi)變化時，管子兩端的電壓根本不變，起到穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)如下：(1)穩(wěn)定電壓UDZ。即反向擊穿電壓。由于制造上的原因，同一型號、同一批管子，UDZ值并不完全一樣，有一定的離散性，而且與溫度和工作電流有關(guān)，所以不是一個固定值。手冊上查到的是一個范圍，例如2CW13的UDZ，其范圍為5～6.5V。選用時應以實際測量結(jié)果為準。(2)穩(wěn)定電流IDZ。穩(wěn)壓管正常工作時的電流值，其范圍在IDZmin～IDZmax之間，IDZ較小時，穩(wěn)壓效果不佳，內(nèi)阻較大；IDZ過大時，管子功耗也將增大，超過管子允許值，管子將不夠平安。(3)耗散功率PM。管子所允許的最大功耗PM＝IDZmaxUDZ。管子功耗超過最大允許功耗時，管子將產(chǎn)生熱擊穿而損壞。(4)動態(tài)電阻rDZ。衡量管子穩(wěn)壓性能好壞的重要參數(shù)。rDZ越小，反映管子在擊穿段曲線越陡峭，電壓越穩(wěn)定；反之，rDZ越大，管子穩(wěn)壓性能越差。(5)穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)K。指穩(wěn)壓管的特性受溫度的影響，即溫度變化10C所引起的穩(wěn)定電壓的相對變化量，(%/0C)。UDZ＜6V的穩(wěn)壓管為負溫系數(shù)，UDZ＞6V的穩(wěn)壓管為正溫系數(shù)。而穩(wěn)定電壓在6V左右的管子，其溫度系數(shù)最小。在使用中，為提高穩(wěn)定電壓的溫度穩(wěn)定性，常將正溫系數(shù)的管子和負溫系數(shù)的管子串聯(lián)使用，使其溫度系數(shù)得到補償。圖1.12為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓管VDZ與負載RL并聯(lián)，R為限流電阻，該電阻使穩(wěn)壓管的電流工作在IDZmin～IDZmax的范圍內(nèi)，同時起到調(diào)整電壓的作用。圖1.12穩(wěn)壓管的應用電路2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管的發(fā)光機理是電致發(fā)光，即通過電場或電流激發(fā)固體發(fā)光材料并使之發(fā)光輻射的現(xiàn)象，是電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。發(fā)光二極管的符號和伏安特性曲線如圖1.13所示。其伏安特性與普通二極管十分相似，只是開啟電壓和正向特性的上升速率略有不同。發(fā)光二極管的開啟電壓取決于制作材料，例如GaAsP紅色LED約為1.7伏，而GaP綠色LED那么約為2.3伏。發(fā)光材料不同，其波長也不同，發(fā)出的光的顏色也不同。表1.1列出幾種常見的發(fā)光二極管的主要參數(shù)。(a)符號(b)伏安特性曲線圖1.13發(fā)光二極管表1.1幾種常見的發(fā)光二極管的主要參數(shù)顏色波長(nm)基本材料正向電壓(V)光強(mcd)光功率(μW)紅外900GaAs1.3～1.5100～500紅655GaAsP1.6～1.80.4～11～2鮮紅635GaAsP2.0～2.22～45～10黃583GaAsP2.0～2.21～33～8綠565GaP2.2～2.40.5～31.5～8要使發(fā)光二極管發(fā)光，就必須對其施加一定的驅(qū)動電流，發(fā)光二極管是一種電流控制的器件，只要流過發(fā)光二極管的正向電流在所規(guī)定的范圍之內(nèi)，它就可正常發(fā)光。根本的直流驅(qū)動電路如圖1.14所示，LED的工作電流由電源和限流電阻R來供給，因而必須合理選擇Ui和R，使LED工作在額定的工作電流下。一般地，假設(shè)Ui一定，那么限流電阻可以根據(jù)下式來確定：UF為額定工作電流下LED的正向壓降，IF為LED實際所須的正向工作電流(可從手冊中查到)。1.14根本的直流驅(qū)動電路3.光敏二極管光敏二極管是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?。它的工作原理是基于半導體中的光生伏特效應。光敏二極管在受到光照時，假設(shè)有外接電路連接在光敏二極管的兩端，便有光電流流過此外接電路，即使沒有外加偏壓，二極管自身也會產(chǎn)生一個光生電動勢，這種光電效應稱為光生伏特效應。光敏二極管在反向電壓下工作，當不受光照時，其反向電阻很大，通過它的電流很小。當受到光的照射時，反向電流顯著增加，該電流稱光電流，它的大小與光照的強度及波長有關(guān)。光敏二極管有光伏和光導兩種模式。光伏模式不加偏壓，而光導模式那么要加反向偏壓。圖1.15為光敏二極管的符號和工作情況簡單示意圖。光敏二極管主要用于自動控制、觸發(fā)器、光電耦合器等電路中，作為光電轉(zhuǎn)換器件。(a)符號(b)光導模式(c)光伏模式圖1.15光電二極管的符號和工作情況簡單示意圖常用二極管型號參數(shù)選錄表1.2點接觸型二極管的主要參數(shù)≥40(IS＝400參數(shù)最大整流電流(mA)最高反向電壓(V)反向擊穿電壓(V)正向電流(mA)反向電流(μA)最高工作頻率(MHz)極間電容(pF)型號2AP11620A)≥2.5≤250(UR＝10V)150≤12AP9515≥20≥8≤200(UR＝10V)100≤0.5(UR＝6V)2AP16≤20≤50≥30≤250(UR＝50V)40≤12AP30C15202(UF≤1V)≤100≤1表1.3面接觸型硅二極