項目六半導體二極管的應用

1、孫樂春孫樂春汽車工程學院汽車工程學院6.1 半導體及二極管基礎(chǔ)知識半導體及二極管基礎(chǔ)知識6.2 二極管應用二極管應用6.1 半導體及二極管基礎(chǔ)知識半導體及二極管基礎(chǔ)知識一、半導體基礎(chǔ)知識一、半導體基礎(chǔ)知識1.半導體半導體導電能力介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為導電能力介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體半導體。 常用的半導體材料有硅（常用的半導體材料有硅（Si）、鍺）、鍺 （Ge）和硒（）和硒（Se）等。一）等。一般半導體材料為四價元素般半導體材料為四價元素 硅硅鍺鍺 4 4共價鍵價電子 4 4 4 4 4 4 4 4半導體的特性半導體的特性描述描述熱敏特性熱敏特性溫度升高或受到光照，半導體溫度

2、升高或受到光照，半導體材料的導電能力增強材料的導電能力增強光敏特性光敏特性摻雜特性摻雜特性本征半導體中摻入某種微量元本征半導體中摻入某種微量元素（雜質(zhì)）后，它的導電能力素（雜質(zhì)）后，它的導電能力增強，利用該特性可形成雜質(zhì)增強，利用該特性可形成雜質(zhì)半導體半導體2.本征半導體本征半導體純凈的不含任何雜質(zhì)的半導體叫做本征半導體。純凈的不含任何雜質(zhì)的半導體叫做本征半導體。 在絕對溫度零度在絕對溫度零度(即即0 K，相當于，相當于-273)，且無外界激發(fā)時，本，且無外界激發(fā)時，本征半導體每一外圍電子被共價鍵所束縛，半導體內(nèi)部無電子存征半導體每一外圍電子被共價鍵所束縛，半導體內(nèi)部無電子存在，和絕緣體一樣不

3、導電。在，和絕緣體一樣不導電。但在室溫下，僅有少數(shù)價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫但在室溫下，僅有少數(shù)價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛成為共價鍵的束縛成為自由電子自由電子（稱為（稱為熱激發(fā)熱激發(fā)），并在相應的共價鍵），并在相應的共價鍵中留下中留下空穴空穴 本征激發(fā)本征激發(fā) 4 4 4 4 4 4 4 4 4自由電子空穴 4 4 4 4 4 4 4 4 4自由電子空穴E空穴移動產(chǎn)生電流空穴移動產(chǎn)生電流 代表束縛電子移動產(chǎn)生電流代表束縛電子移動產(chǎn)生電流結(jié)論：結(jié)論：由此可見由此可見,在本征半導體中，共價鍵或束縛電子移動產(chǎn)在本征半導體中，共價鍵或束縛電子移動產(chǎn)生電流的根本原因是由于

4、空穴而引起的。我們可以將空生電流的根本原因是由于空穴而引起的。我們可以將空穴看成一個帶正電荷的粒子，在外加電場作用下，它可穴看成一個帶正電荷的粒子，在外加電場作用下，它可以自由的移動，以自由的移動， 移動的方向和電流的方向相同。所以移動的方向和電流的方向相同。所以空穴也是一種空穴也是一種載流子載流子空穴越多，半導體中的載流子數(shù)目就越多，空穴越多，半導體中的載流子數(shù)目就越多，因此形成的電流越大因此形成的電流越大半導體中存在著兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空半導體中存在著兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導體中穴。本征半導體中, 自由電子與空穴是同時成對產(chǎn)生的自由電子與空穴

5、是同時成對產(chǎn)生的, 因此因此, 它們的濃度是相等的。我們用它們的濃度是相等的。我們用n和和p分別表示電子和空穴的濃分別表示電子和空穴的濃度度ni=pi下標下標i表示為本征半導體表示為本征半導體載流子的產(chǎn)生與復合載流子的產(chǎn)生與復合 價電子在熱運動中獲得能量產(chǎn)生了電子價電子在熱運動中獲得能量產(chǎn)生了電子-空穴對。同空穴對。同時自由電子在運動過程中失去能量時自由電子在運動過程中失去能量, 與空穴相遇與空穴相遇, 使電子、使電子、 空穴對消失空穴對消失, 這種現(xiàn)象稱為復合。在一定溫度下這種現(xiàn)象稱為復合。在一定溫度下, 載流子載流子的產(chǎn)生過程和復合過程是相對平衡的的產(chǎn)生過程和復合過程是相對平衡的, 載流子

6、的濃度是一載流子的濃度是一定的。定的。3.雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的半導體稱為雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)后的半導體稱為雜質(zhì)半導體。按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分N型半導體和型半導體和P型半導體型半導體（1） N型半導體型半導體在本征半導體中，摻入微量五價元素，如磷、銻、砷等，可在本征半導體中，摻入微量五價元素，如磷、銻、砷等，可形成形成N型半導體型半導體。由于五價雜質(zhì)原子

7、可提供自由電子，故稱為由于五價雜質(zhì)原子可提供自由電子，故稱為施主原施主原子子。N N型半導體中，自由電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為型半導體中，自由電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。少數(shù)載流子。 自由電子自由電子施主原子施主原子N型半導體特點型半導體特點型半導體中型半導體中, 自由電子為多數(shù)載流子；空穴為少自由電子為多數(shù)載流子；空穴為少數(shù)載流子。數(shù)載流子。 半導體仍呈電中性半導體仍呈電中性（2） P型半導體型半導體在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體型半導體，也稱為空穴型半導體。，也稱為空穴型半導體。由于三價雜質(zhì)原

8、子容易吸收電子，故稱為由于三價雜質(zhì)原子容易吸收電子，故稱為受主原子受主原子。P P型半導體中，空穴稱為多數(shù)載流子，自由電子稱為少數(shù)型半導體中，空穴稱為多數(shù)載流子，自由電子稱為少數(shù)載流子。載流子。 受主原子受主原子空穴空穴P型半導體特點型半導體特點P型半導體中空穴是型半導體中空穴是多數(shù)載流子多數(shù)載流子，主要由摻雜形，主要由摻雜形成；成； 電子是電子是少數(shù)載流子，少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。半導體仍呈電中性半導體仍呈電中性4.載流子的漂移與擴散載流子的漂移與擴散1）漂移）漂移由于電場作用而導致載流子的運動稱為由于電場作用而導致載流子的運動稱為漂移漂移2）擴散）擴散由于載流子濃度的差異而

9、導致載流子的運動稱為由于載流子濃度的差異而導致載流子的運動稱為擴散擴散二、二極管二、二極管 1.PN 結(jié)結(jié) 在同一塊半導體基片的兩邊分別形成在同一塊半導體基片的兩邊分別形成N型和型和P型半導體，它們的型半導體，它們的交界區(qū)域會形成一個很薄的空間電荷區(qū)，稱為交界區(qū)域會形成一個很薄的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)結(jié)雜質(zhì)濃度差雜質(zhì)濃度差多子的擴散運動多子的擴散運動形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)形成內(nèi)電形成內(nèi)電場場促使少子漂移、阻止多子擴散促使少子漂移、阻止多子擴散達到動態(tài)平衡達到動態(tài)平衡擴散運動和漂移運動是相互矛盾的，少數(shù)載流子的漂移運動使擴散運動和漂移運動是相互矛盾的，少數(shù)載流子的漂移運動使空間電荷區(qū)變窄空

10、間電荷區(qū)變窄 2.PN結(jié)的導電性結(jié)的導電性1）PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置給給PN結(jié)加正向電壓，即結(jié)加正向電壓，即P區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，此時區(qū)接電源負極，此時稱稱PN結(jié)為結(jié)為正向偏置正向偏置。只有外電壓增加到某一值時，才產(chǎn)生較大的擴散電流，該電壓只有外電壓增加到某一值時，才產(chǎn)生較大的擴散電流，該電壓稱稱 PN 結(jié)的死區(qū)電壓，一般硅材料為結(jié)的死區(qū)電壓，一般硅材料為0.7V，鍺材料為，鍺材料為0.3V,由上由上可知可知,PN 結(jié)正向偏置時導通電流很大（外加電壓大于死區(qū)電壓結(jié)正向偏置時導通電流很大（外加電壓大于死區(qū)電壓時）。時）。2）PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置當當 PN結(jié)的結(jié)的P型

11、區(qū)接外電源負極，型區(qū)接外電源負極，N型區(qū)接外電源正極時稱型區(qū)接外電源正極時稱反向偏置反向偏置 在內(nèi)電場的作用下，在內(nèi)電場的作用下，N型區(qū)中的少數(shù)載流子（空穴）越過型區(qū)中的少數(shù)載流子（空穴）越過PN結(jié)結(jié)進入進入P區(qū)；區(qū)；P型區(qū)中的少數(shù)載流子（自由電子）越過型區(qū)中的少數(shù)載流子（自由電子）越過PN結(jié)進入結(jié)進入N型區(qū)，于是在外電源的作用下形成了連續(xù)不斷的由型區(qū)，于是在外電源的作用下形成了連續(xù)不斷的由 N 型區(qū)流向型區(qū)流向P型區(qū)的電流，稱為型區(qū)的電流，稱為反向電流反向電流 擴散擴散電流電流幾乎幾乎為為0，反向反向電流電流很小很小PN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?，呈小電阻，電流較大結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜ǎ?/p>

12、呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。反偏截止，電阻很大，電流近似為零?？偨Y(jié)：總結(jié)：3二極管的結(jié)構(gòu)和類型二極管的結(jié)構(gòu)和類型 以以PN結(jié)為管芯，在結(jié)為管芯，在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)均接上電極引線，并以外殼封區(qū)均接上電極引線，并以外殼封裝，就制成了裝，就制成了半導體二極管半導體二極管，簡稱，簡稱二極管二極管。 與與P區(qū)相連的引線稱為陽極，用區(qū)相連的引線稱為陽極，用“+”表示，與表示，與N 區(qū)相連的引線區(qū)相連的引線稱為陰極，用稱為陰極，用“-”表示。表示。按結(jié)構(gòu)分二極管有點接觸型和面接觸型。按結(jié)構(gòu)分二極管有點接觸型和面接觸型。 點接觸型點接觸型正極正極引線引線觸絲觸絲N 型鍺片型鍺片外殼外

13、殼負極負極引線引線負極引線負極引線 面接觸型面接觸型N型鍺型鍺PN 結(jié)結(jié) 正極引線正極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金銻金銻合金合金結(jié)電容小結(jié)電容小工作頻率低工作頻率低三、二極管的伏安特性三、二極管的伏安特性伏安特性伏安特性就是管子兩電極間所加的電壓與其流過的電流之間的就是管子兩電極間所加的電壓與其流過的電流之間的關(guān)系曲線。電壓的單位為伏（關(guān)系曲線。電壓的單位為伏（V），電流的單位為安（），電流的單位為安（A）、毫）、毫安、微安等。安、微安等。正向特性、反向特性正向特性、反向特性O(shè)uD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死區(qū)死區(qū)電壓電壓iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (

14、硅管硅管) )( (鍺管鍺管) )U UthiD 急劇上升急劇上升0 U Uth 反向特性反向特性ISU (BR)反向擊穿反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) 幾十幾十 A ( (鍺鍺) )U U(BR)反向電流急劇增大反向電流急劇增大U UthiD 急劇上升急劇上升604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20 C90 C四、半導體二極管主要參數(shù)四、半導體二極管主要參數(shù)在工程上必須根據(jù)二極管的參數(shù)合理地使用和選擇二極管，只在工程上必須根據(jù)二極管的參數(shù)合理地使用和選擇二極管，只有這樣才能充分發(fā)揮每個管子的作用。有這樣才能充分發(fā)揮每個管子的

15、作用。 最大整流電流最大整流電流I IOMOM最大反向電流最大反向電流I IRMRM最大反向工作電壓最大反向工作電壓U URMRM1.1.最大整流電流最大整流電流I IOMOM它是二極管長時間使用時，允許通過二極管的它是二極管長時間使用時，允許通過二極管的最大正向平均電最大正向平均電流流。點接觸型二極管的最大整流電流在幾十毫安以下。面接觸型點接觸型二極管的最大整流電流在幾十毫安以下。面接觸型二極管的最大整流電流較大，如二極管的最大整流電流較大，如2CP10型硅二極管的最大整型硅二極管的最大整流電流為流電流為100mA 。當電流超過允許值時，將由于。當電流超過允許值時，將由于 PN 結(jié)過熱結(jié)過熱

16、而使管子損壞。而使管子損壞。2最大反向工作電壓最大反向工作電壓URM 它是指二極管在工作中能承受的它是指二極管在工作中能承受的最大反向電壓最大反向電壓，也是使二極管，也是使二極管不致反向擊穿的電壓極限值。在一般情況下，最大反向工作電不致反向擊穿的電壓極限值。在一般情況下，最大反向工作電壓應小于反向擊穿電壓，是反向擊穿電壓的壓應小于反向擊穿電壓，是反向擊穿電壓的 1/ 2或或 2/3 。 選用晶體二極管時，還要以最大反向工作電壓為準選用晶體二極管時，還要以最大反向工作電壓為準,并留有適并留有適當余地，以保證二極管不致?lián)p壞。例如當余地，以保證二極管不致?lián)p壞。例如:2AP21型二極管的反型二極管的反

17、向擊穿電壓向擊穿電壓15V，最大反向工作電壓小于，最大反向工作電壓小于10V ；2AP26 型二型二極管的反向擊穿電壓為極管的反向擊穿電壓為150V ，最大反向工作電壓小于，最大反向工作電壓小于100V。3 3最大反向電流最大反向電流I IRMRM 它是指二極管上加工作峰值電壓時的它是指二極管上加工作峰值電壓時的反向電流值反向電流值。IRM值越小，值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。硅管的反向電流較小，在幾微安以二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。硅管的反向電流較小，在幾微安以下。鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。下。鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。7.2 二極管應用二極管應用一、整流一、整

18、流整流電路是將交流電壓變換成直流電路，整流電路分為單相半整流電路是將交流電壓變換成直流電路，整流電路分為單相半波整流電路、單相全波電路、三相全波整流電路。波整流電路、單相全波電路、三相全波整流電路。1.單相半波整流電路單相半波整流電路）（t0tsinU2u20負載電阻上得到的整流電壓負載電阻上得到的整流電壓U0是大小變化的單向脈動直流電壓，是大小變化的單向脈動直流電壓，U0的大小常用一個周期的平均值來表示，單相半波整流電壓的的大小常用一個周期的平均值來表示，單相半波整流電壓的平均值為平均值為2202000.45UU2UttdsinU221U）（流過二極管的平均電流為流過二極管的平均電流為L2L

19、00R0.45URUI2RmaxU2U因此：單相半波整流電路的特點是因此：單相半波整流電路的特點是結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓的平結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓的平均值低、脈動大均值低、脈動大,電路損失大電路損失大。 2.單相橋式全波整流電路單相橋式全波整流電路 橋式整流電路的整流電壓平均值橋式整流電路的整流電壓平均值0U比半波整流時增加一倍比半波整流時增加一倍 即：即： 2200.9U0.45U2UL0L00RU0.9RUIL00DRU0.45I21i2RmaxU2U由以上分析可知，單相橋式整流電路，在變壓器二次側(cè)電壓相由以上分析可知，單相橋式整流電路，在變壓器二次側(cè)電壓相同的情況下，同的情況下，輸出電壓平均

20、值高、脈動小，管子承受的反向電輸出電壓平均值高、脈動小，管子承受的反向電壓和半波整流電路一樣壓和半波整流電路一樣。雖然二極管用了四只，但小功率二極。雖然二極管用了四只，但小功率二極管體積小，價格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應管體積小，價格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應用。用。3.三相橋式整流電路三相橋式整流電路負載負載R RL L上電壓上電壓U U0 0與三相變壓器副繞組相電壓有效值與三相變壓器副繞組相電壓有效值U U2 2202.34UU 整流電流平均值整流電流平均值L2L00RU2.34RUI由于每個二極管在一個周期內(nèi)連續(xù)導通由于每個二極管在一個周期內(nèi)連續(xù)導通1/ 3周

21、期，故通過二極周期，故通過二極管的電流平均值管的電流平均值ID。是。是L2DRU0.78Io31I各個二極管所承受的最大反向電壓各個二極管所承受的最大反向電壓 UDRM 是變壓器次極線電是變壓器次極線電壓的最大值，即壓的最大值，即 22DRM2.45UU32U二、濾波電路二、濾波電路 整流電路輸出的單向脈動電壓含有交流分量，不能適應各種整流電路輸出的單向脈動電壓含有交流分量，不能適應各種要求直流電壓平穩(wěn)的電子設(shè)備、電氣裝置正常工作的需要。解要求直流電壓平穩(wěn)的電子設(shè)備、電氣裝置正常工作的需要。解決辦法是在整流電路之后再加接濾波電路，以改善直流電壓的決辦法是在整流電路之后再加接濾波電路，以改善直流

22、電壓的脈程度。脈程度。根據(jù)電容有隔直通交的作用，而電感則有直流電阻很小，交根據(jù)電容有隔直通交的作用，而電感則有直流電阻很小，交流電阻大的特點。將電容、電感和電阻適當?shù)慕M合起來，便流電阻大的特點。將電容、電感和電阻適當?shù)慕M合起來，便可得到各種形式的濾波電路?？傻玫礁鞣N形式的濾波電路。1. 電容濾波電路電容濾波電路特點特點 電路簡單。電路簡單。整流輸出電壓的波形比較平直。整流輸出電壓的波形比較平直。輸出平均電壓輸出平均電壓U U0 0較高，且隨負載較高，且隨負載R RL L的大小而變化。的大小而變化。 輸出平均電壓：輸出平均電壓：U0=U2 （半波整流）（半波整流） U01.2U2 （全波整流）（

23、全波整流） 2.電感濾波電路電感濾波電路 電感濾波的作用是：當負載電流變化時，電感線圈中將產(chǎn)生自電感濾波的作用是：當負載電流變化時，電感線圈中將產(chǎn)生自感電動勢，它將阻止電流的變化，同時進行磁場能量的存貯與感電動勢，它將阻止電流的變化，同時進行磁場能量的存貯與釋放，使輸出電壓和電流的脈動程度減小，波形較平直。釋放，使輸出電壓和電流的脈動程度減小，波形較平直。 U U0 0=0.9U=0.9U2 2 L2L00RU0.9RUI電感線圈的電感電感線圈的電感L為幾亨到幾十亨，一般說來為幾亨到幾十亨，一般說來L越大，濾波效越大，濾波效果越好。但果越好。但L越大，線圈的體積及重量均增加，而且也不經(jīng)濟。越大

24、，線圈的體積及重量均增加，而且也不經(jīng)濟。電感濾波適用于負載電流較大，其變化也較大但對輸出電壓脈電感濾波適用于負載電流較大，其變化也較大但對輸出電壓脈動程度要求不太高的場合，例如可控硅電路。動程度要求不太高的場合，例如可控硅電路。3.復式兀形濾波電路復式兀形濾波電路此電路由兩只電容此電路由兩只電容C Cl l和和C C2 2及電感及電感 L L 組成。組成。C Cl l 先對整流輸出電壓先對整流輸出電壓進行電容濾波，進行電容濾波，C C2 2與負載電阻與負載電阻R RL L并聯(lián)，再與并聯(lián)，再與L L串聯(lián)。電感線圈串聯(lián)。電感線圈L L對輸出電壓的交流分量有較大的感抗，而電容對輸出電壓的交流分量有較

25、大的感抗，而電容C C2 2對交流分量的對交流分量的容抗很小，具有較強的旁路分流作用，從而可使負載容抗很小，具有較強的旁路分流作用，從而可使負載R RL L上的交上的交流分量很小，輸出電壓的平直程度大大增加。流分量很小，輸出電壓的平直程度大大增加。 電阻對于交、直流電流都具有同樣的降壓作用，但是當它與電容電阻對于交、直流電流都具有同樣的降壓作用，但是當它與電容C C2 2配合之后，可以使經(jīng)配合之后，可以使經(jīng) C Cl l 濾波后的整流電壓中殘存的交流分量較多濾波后的整流電壓中殘存的交流分量較多地降落在電阻地降落在電阻R R的兩端，而較少地分配到電容的兩端，而較少地分配到電容C C2 2上（因上（因 C C2 2的交流阻的交流阻抗很小）。從而使負載抗很?。?。從而使負載 R RL L兩端的輸出電壓更為平直，起到更好的兩端的輸出電壓更為平直，起到更好的濾波作用。濾波作用。R R和和C C2 2愈大，濾波效果愈好。但愈大，濾波效果愈好。但R R太大，將使太大，將使R R上的直流上的直流壓降增加，且電阻要發(fā)熱，消耗電功率，故應選擇壓降增加，且電阻要發(fā)熱，消耗電功率，故應選擇 R RR RL L ，通常使，通常使 R R上的直流電壓降上的直流電壓降U UR R=I=I0 0R=R=（0.10.10.2 0.2 ）U U0 0 ，R R取值為幾十