電工電子綜述性論文之二極管.doc

電工電子綜述性論文之二極管學(xué)校：合肥學(xué)院年級：12級化工（1）班學(xué)號：1203021035姓名：王瑾瑾老師：朱曉平日期：2013/11/24引言在現(xiàn)在這樣科技發(fā)展的生活中，我們離不開電工電子產(chǎn)品，各種各樣的電子產(chǎn)品出現(xiàn)在我們的生活中，為我們提供了更加優(yōu)越的生活環(huán)境，更加美好的生活條件。電子產(chǎn)品出現(xiàn)于實驗室，服務(wù)于我們的生活中，為我們的生活添加精彩?，F(xiàn)在的我們已經(jīng)完全離不開電工電子產(chǎn)品了，沒有電工電子產(chǎn)品的幫助，我們的生活會怎樣，我們很難去想象。我們電工電子的第一章是電路和電路原件，我們主要學(xué)習(xí)了幾種電路元件及其連接方式。而在這其中，二極管又是最為重要的一種電子元件，它在電子技術(shù)中扮演著非常重要的角色！所以關(guān)于二極管的討論也就顯得極為重要。關(guān)鍵詞二極管、二極管的概念、二極管的種類、二極管的工作原理、二極管的應(yīng)用一、二極管的概念二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管;它只往一個方向傳送電流的電子零件。它是一種具有1個零件號接合的2個端子的器件，具有按照外加電壓的方向，使電流流動或不流動的性質(zhì)。晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。二極管是一種具有單向?qū)щ姷亩似骷?，有電子二極管和晶體二極管之分，電子二極管現(xiàn)已很少見到，比較常見和常用的多是晶體二極管。二極管的單向?qū)щ娞匦?，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半?dǎo)體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用也非常廣泛。二極管種類有很多，按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、隔離二極管、肖特基二極管、發(fā)光二極管、硅功率開關(guān)二極管、旋轉(zhuǎn)二極管等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細(xì)的金屬絲壓在光潔的半導(dǎo)體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地?zé)Y(jié)在一起，形成一個“PN結(jié)”。由于是點接觸，只允許通過較小的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結(jié)”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關(guān)、脈沖及高頻電路中。二、二極管的工作原理晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。p-n結(jié)的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。三、二極管的導(dǎo)電特性 二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦浴Ｔ陔娐分?，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特性。 1、正向特性。 在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門坎電壓”，又稱“死區(qū)電壓”，鍺管約為0.1V，硅管約為0.5V）以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。 2、 反向特性。 在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。1）擊穿外加反向電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會突然增大，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱為二極管反向擊穿電壓。電擊穿時二極管失去單向?qū)щ娦浴Ｈ绻O管沒有因電擊穿而引起過熱，則單向?qū)щ娦圆灰欢〞挥谰闷茐?，在撤除外加電壓后，其性能仍可恢?fù)，否則二極管就損壞了。因而使用時應(yīng)避免二極管外加的反向電壓過高。二極管是一種具有單向?qū)щ姷亩似骷?，有電子二極管和晶體二極管之分，電子二極管因為燈絲的熱損耗，效率比晶體二極管低，所以現(xiàn)已很少見到，比較常見和常用的多是晶體二極管。二極管的單向?qū)щ娞匦?，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半?dǎo)體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用也非常廣泛。二極管的管壓降：硅二極管（不發(fā)光類型）正向管壓降0.7V，鍺管正向管壓降為0.3V，發(fā)光二極管正向管壓降會隨不同發(fā)光顏色而不同。主要有三種顏色，具體壓降參考值如下：紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0-2.2V，黃色發(fā)光二極管的壓降為1.82.0V，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.03.2V，正常發(fā)光時的額定電流約為20mA。二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系，所以在將不同的二極管并聯(lián)的時候要接相適應(yīng)的電阻2）特性曲線與PN結(jié)一樣，二極管具有單向?qū)щ娦?。硅二極管典型伏安特性曲線（圖）。在二極管加有正向電壓，當(dāng)電壓值較小時，電流極??；當(dāng)電壓超過0.6V時，電流開始按指數(shù)規(guī)律增大，通常稱此為二極管的開啟電壓；當(dāng)電壓達(dá)到約0.7V時，二極管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，通常稱此電壓為二極管的導(dǎo)通電壓，用符號UD表示。對于鍺二極管，開啟電壓為0.2V，導(dǎo)通電壓UD約為0.3V。在二極管加有反向電壓，當(dāng)電壓值較小時，電流極小，其電流值為反向飽和電流IS。當(dāng)反向電壓超過某個值時，電流開始急劇增大，稱之為反向擊穿，稱此電壓為二極管的反向擊穿電壓，用符號UBR表示。不同型號的二極管的擊穿電壓UBR值差別很大，從幾十伏到幾千伏。3）反向擊穿（1）齊納擊穿：反向擊穿按機理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。在高摻雜濃度的情況下，因勢壘區(qū)寬度很小，反向電壓較大時，破壞了勢壘區(qū)內(nèi)共價鍵結(jié)構(gòu)，使價電子脫離共價鍵束縛，產(chǎn)生電子-空穴對，致使電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。如果摻雜濃度較低，勢壘區(qū)寬度較寬，不容易產(chǎn)生齊納擊穿。（2）雪崩擊穿：另一種擊穿為雪崩擊穿。當(dāng)反向電壓增加到較大數(shù)值時，外加電場使電子漂移速度加快，從而與共價鍵中的價電子相碰撞，把價電子撞出共價鍵，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的電子-空穴被電場加速后又撞出其它價電子，載流子雪崩式地增加，致使電流急劇增加，這種擊穿稱為雪崩擊穿。無論哪種擊穿，若對其電流不加限制，都可能造成PN結(jié)永久性損壞。四、二極管的主要參數(shù) 用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術(shù)指標(biāo)，稱為二極管的參數(shù)。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。對初學(xué)者而言，必須了解以下幾個主要參數(shù)：1、最大整流電流 是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值，其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為141左右，鍺管為90左右）時，就會使管芯過熱而損壞。所以在規(guī)定散熱條件下，二極管使用中不要超過二極管最大整流電流值。例如，常用的IN40014007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。 2、最高反向工作電壓 加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰Α榱吮ＷC使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，IN4001二極管反向耐壓為50V，IN4007反向耐壓為1000V。 3、反向電流 反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶?。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。例如2AP1型鍺二極管，在25時反向電流若為250uA，溫度升高到35，反向電流將上升到500uA，依此類推，在75時，它的反向電流已達(dá)8mA，不僅失去了單方向?qū)щ娞匦?，還會使管子過熱而損壞。又如，2CP10型硅二極管，25時反向電流僅為5uA，溫度升高到75時，反向電流也不過160uA。故硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。 4、動態(tài)電阻Rd 二極管特性曲線靜態(tài)工作點Q附近電壓的變化與相應(yīng)電流的變化量之比。五、二極管的應(yīng)用（如圖2）：穩(wěn)壓管在準(zhǔn)確的電壓下?lián)舸?，這就使得它可作為限制或保護(hù)之元件來使用，因為各種電壓的穩(wěn)壓二極管都可以得到，故對于這種應(yīng)用特別適宜.圖中的穩(wěn)壓二極管D是作為過壓保護(hù)器件。只要電源電壓VS超過二極管的穩(wěn)壓值D就導(dǎo)通，使繼電器J吸合負(fù)載RL就與電源分開. 電視機里的過壓保護(hù)電路（如圖3）：EC是電視機主供電壓，當(dāng)EC 電壓過高時，D導(dǎo)通，三極管BG導(dǎo)通，其集電極電位將由原來的高電平（5V）變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^待機控制線的控制使電視機進(jìn)入待機保護(hù)狀態(tài)。電弧抑制電路如圖4：在電感線圈上并聯(lián)接入一只合適的穩(wěn)壓二極管（也可接入一只普通二極管原理一樣）的話，當(dāng)線圈在導(dǎo)通狀態(tài)切斷時，由于其電磁能釋放所產(chǎn)生的高壓就被二極管所吸收，所以當(dāng)開關(guān)斷開時，開關(guān)的電弧也就被消除了。這個應(yīng)用電路在工業(yè)上用得比較多，如一些較大功率的電磁吸控制電路就用到它.串聯(lián)型穩(wěn)壓電路（如圖5）：在此電路中，串聯(lián)穩(wěn)壓管，BG的基極被穩(wěn)壓二極管D鉗定在13V，那么其發(fā)射極就輸出恒定的12V電壓了.這個電路在很多場合下都有應(yīng)用。反向串聯(lián)反向串聯(lián)的作用1、經(jīng)常在功率較大的放大電路，功率管的基極b與發(fā)射極e即發(fā)射結(jié)并聯(lián)兩個反向的二極管，這是通過對發(fā)射結(jié)輸入電流的分流作用而起保護(hù)作用；2、兩個二極管反向串聯(lián)后對與之并聯(lián)的電路可起過壓保護(hù)作用，當(dāng)電路過壓時，二極管首先擊穿短路；雙向過壓保護(hù)。這種雙向tvs，雙向過壓保護(hù)電路一般用于電子電路，與被保護(hù)的PN結(jié)并聯(lián)，保護(hù)該PN免遭反向過電壓的危害；作用：過壓保護(hù)，靜電保護(hù)，電壓鉗位，阻尼作用。瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor）簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12毫秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。1、將TVS二極管加在信號及電源線上，能防止微處理器或單片機因瞬間的肪沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。2、靜電放電效應(yīng)能釋放超過10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms；而一般的TTL器件，遇到超過30ms的10V脈沖時，便會導(dǎo)至損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關(guān)所引起的串?dāng)_（Crosstalk）。3、將TVS二極管放置在信號線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。開關(guān)電源中的開關(guān)管一般是mos管，由于mos管的G極對靜電或過壓非常敏感，所以為了保護(hù)它免遭損壞才加雙向TVS給與保護(hù)，一般三極管開關(guān)并不害怕靜電，很少有這個保護(hù)。4、如果是兩個穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)，正、反方向電壓到達(dá)穩(wěn)壓值時，電壓被鉗位；5、如果是兩個穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)，正、反方向電壓到達(dá)穩(wěn)壓值時，電流劇增，電動力增大，起阻尼作用；六、二極管的發(fā)展前景二極管的發(fā)展以發(fā)光二極管最為突出，作為目前全球最受矚目的新一代光源，led因其高亮度、低熱量、長壽命、無毒、可回收再利用等優(yōu)點，被稱為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色照明光源。發(fā)光二極管適應(yīng)當(dāng)今世界發(fā)展趨勢，符合我國節(jié)能減排的要求。二極管一個很大的特點，是其具備低電流、低電壓驅(qū)動的省電特性，而這樣的特性在世界能源資源缺乏及各國針對綠色環(huán)保觀念提升之際，引起了許多人的共鳴。LED技術(shù)地不斷進(jìn)步，使得出現(xiàn)在市場上的大功率LED產(chǎn)品日益增多， LED的長壽命、小體積和高亮度等特性使其倍受設(shè)備制造商和用戶的歡迎。如今，LED已經(jīng)滲透到了大量的應(yīng)用場合，例如高亮度的LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于：手機彩屏和背光源、汽車尾燈和車廂內(nèi)部用燈、交通紅綠燈、標(biāo)志牌、電子顯示設(shè)備。發(fā)光二極管現(xiàn)在應(yīng)用在生活的各處，LED仍在不斷發(fā)展之中，室內(nèi)照明空間廣。但是要有更大前進(jìn)和相應(yīng)的研究、探索工作，為