半導體二極管08566課件

半導體二極管第

1

章1.1半導體二極管(SemiconductorDiode)1.1.1PN結及其單向導電性1.1.2半導體二極管的構成與類型1.1.3半導體二極管的伏安特性1.1.4半導體二極管的使用常識1.1.1PN結及其單向導電性一、基本概念本征半導體

—純凈的半導體。如硅、鍺單晶體。本征激發(fā)

—在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。載流子—自由運動的帶電粒子。自由電子(帶負電)空穴(帶正電)電子空穴成對出現(xiàn)，數(shù)量少、與溫度有關。

兩種載流子N型半導體—在本征半導體硅或鍺中摻入微量五價元素，如磷、砷（雜質）所構成。正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)電子數(shù)P型半導體—在本征半導體硅或鍺中摻入微量三價元素，如棚、銦（雜質）所構成。負離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子空穴—

多子電子—

少子載流子數(shù)空穴數(shù)電中性三、PN結的單向導電性1.外加正向電壓(正向偏置)（P+、N–）P區(qū)N區(qū)內電場+

UR外電場IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流IF。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)（P–、N+）P

區(qū)N

區(qū)

+UR內電場外電場外電場使少子背離PN結移動，空間電荷區(qū)變寬。IR漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子

0PN結的單向導電性：正偏呈低阻導通正向電流IF較大;反偏呈高阻截止，反向電流為IR很小。外電場使多子向PN結移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。PN結的單向導電性

+UR四、PN結的結電容勢壘電容

CB：PN中的電荷量隨外加電壓變化而改變所顯示的效應（反偏時顯著）。擴散電容

CD：多子在擴散過程中積累程度隨外加電壓變化而改變所顯示的效應（正偏時顯著）。+

UR影響工作頻率的原因—PN結的電容效應

結論：1.低頻時，因結電容很小，對PN結影響很小。高頻時，因容抗增大，使結電容分流，導致單向導電性變差。2.結面積小時結電容小，工作頻率高。點接觸型陽極引線觸絲N型鍺片管殼陰極引線特點：PN結面積小結電容小適于高頻、小電流應用：小功率整流高頻檢波開關電路陰極引線

面接觸型N型硅PN結陽極引線鋁合金小球支架金銻合金特點：PN結面積大結電容小適于低頻、大電流(幾百毫安以上)應用：整流陽極

引線陰極

引線集成電路中的平面型PNP型支持襯底常用二極管外形圖2CZ542CZ132CZ302AP1N4001+–+–+–+–微型二極管（無引線或短引線的貼片元件，直接安裝在印刷電路板表面）圓柱形微型二極管SOT

－

23矩形微型二極管二、二極管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uon導通電壓(門坎、閾值)ID

=0Uon=0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)uUonID急劇上升0u

Uon

Uon=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

u0ID=IS<0.1A(硅)幾十A

(鍺)u<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(擊穿電壓<6V，負溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結未損壞，斷電即恢復?！狿N結燒毀。(擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50ID

/mAUD/VID

/mAUD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.0201.1.4半導體二極管的使用常識一、二極管的型號國標GB249－74規(guī)定：第一部分阿拉伯數(shù)字表示器件電極數(shù)第二部分字母(漢拼)表示器件材料和極性第三部分字母(漢拼)表示器件類型第四部分阿拉伯數(shù)字表示器件序號第五部分字母(漢拼)表示規(guī)格號如硅整流二極管2

C

Z

52

A二極管N型硅整流管序號規(guī)格號12345電極數(shù)器件材料和極性字母表示器件類型用數(shù)字表示器件序號字母表示規(guī)格號符號意義符號意義符號意義符號意義23二極管三極管ABCDABCDEN型,鍺材料P型,鍺材料N型,硅材料P型,硅材料PNP,鍺材料NPN,鍺材料PNP,硅材料NPN,硅材料化合物材料PVWCZLSNUKX

G

普通管微波管穩(wěn)壓管參量管整流管整流堆遂道管阻尼管光電器件開關管低頻小功率管

(f3MHZ,PC1W)高頻小功率管(f3MHZ,PC1W)D

A

TYBJCSBTFHPINJG

低頻大功率管(f3MHZ,PC1W)高頻大功率管

(f3MHZ,PC1W)可控整流器體效應器件雪崩管階躍恢復管場效應管半導體特殊器件復合管PIN型管激光器件

表1.2.1半導體器件型號組成部分的符號及其意義二、二極管的主要參數(shù)1.

IFM—最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—最高反向工作電壓，為U(BR)/23.

IR

—反向電流(隨溫度變化,越小單向導電性越好)IDUDU(BR)IFURMO4.

fM—最高工作頻率(主要取決于PN結結電容大小)三、二極管管腳極性及質量的判斷在

R

100或

R

1

k檔測量紅表筆是(表內電源)負極，黑表筆是(表內電源)正極。正反向電阻各測量一次，測量時手不要接觸引腳。(1)

用指針式萬用表檢測*一般硅管正向電阻為幾千歐，鍺管正向電阻為幾百歐；反向電阻電阻為幾百千歐。*正反向電阻相差小為劣質管。正反向電阻都是無窮大或零則二極管內部斷路或短路。1k000(2)用數(shù)字式萬用表檢測紅表筆是(表內電源)正極，黑表筆是(表內電源)負極。2k20k200k2M20M200在

擋進行測量，當

PN結完好且正偏時，顯示值為

PN

結兩端的正向壓降(V)。反偏時，顯示。半導體三極管(SemiconductorTransistor)1.2.1BJT的結構1.2.2BJT的電流分配與放大原理1.2.3BJT的特性曲線1.2雙極型三極管1.2.4BJT的使用常識BJT外形和引腳EBCECBEBCBECEBC內部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結面積大外部條件發(fā)射結正偏:UC>UB>UE集電結反偏:UC<UB<UEBJT與電源連接方式NPNRcVCCIBIERb+UBE+UCEVBBcebIC輸入回路輸入回路PNPRcVCCIBIERb+UBE+UCEVBBcebIC1.2.2BJT的電流分配和放大原理一、BJT處于放大狀態(tài)的條件2.滿足放大條件的三種電路共發(fā)射極ecb輸入輸出ecb輸入輸出共集電極共基極ceb輸入輸出當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結面積等確定，故電流的比例關系確定，即：IB=

I

BN

ICBOIC

=

ICN

+

ICBO三、BJT的電流分配關系IE=IC+IB穿透電流三、BJT的放大作用RcVCCIBIERb+UBE+UCEVBBcebIC+UI+

IB+

IC+

IE>>1IE=

IC+

IB=(1+

)

IBIC=

IBUCEUCE=

–

UR=

–

ICRC電壓放大倍數(shù):RcVCCIBIERb+UBE+UCEVBBcebIC例1.2.1輸入電壓UI=

30

mV,

引起IB=

30

A,設

=

40，RC=

1

k，求IC、Au。解：IC=

IB=

40

30

A=

1.2mAUO=UCE=

–

ICRC=

1.2mA

1

k=1.2V1.2.3BJT的特性曲線一、共發(fā)射極輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似iBiEiCO特性基本重合(電流分配關系確定)特性右移(因集電結開始吸引電子)導通電壓

uBE硅管：(0.60.8)V鍺管：(0.20.3)V取0.7V取0.2V+VCCRcC1C2RL+Rb+ui+uo+uBE+uCEiBRb+uBEVCC+VCCRb二、共發(fā)射極輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321ICEO水平部分為何略上翹？由于uCE增大時，集電結空間電荷區(qū)變寬，基區(qū)變窄，使載流子在基區(qū)復合的機會減小，即電流放大系數(shù)增大，稱基區(qū)寬度調制效應。三、PNP型BJT共發(fā)射極特性曲線輸入特性O0.10.20.30.480604020iB/μA–uBE

/V輸出特性iC

/mA–

uCE

/V80μA60μA40μA20μAIB=0O24684321RcVCCRb+UBE+UCEVBBceb[例1.2.2]（教材例2.1.1）已知放大電路中三個極的電位分別為：U1=

–

4V,U2=

–

1.2

V，U3=

–

1.4

V，判斷BJT類型、制造材料及電極。[解]RcVCCRb+UBE+UCEVBBcebNPN管UC>UB>UEPNP管UC<UB<UE硅管：

UBE=0.7V；鍺管：

UBE=–0.2V

本例中：U1<U3<U2且：U3–

U2=–

1.4

V

–

(–1.2

V)=–0.2

V，

腳為c

極則：為鍺材料PNP管，腳為

b極，腳為

e極1.2.4BJT的使用常識一、BJT的型號國標GB249規(guī)定：第一部分阿拉伯數(shù)字表示器件電極數(shù)第二部分字母(漢拼)表示器件材料和極性第三部分字母(漢拼)表示器件類型第四部分阿拉伯數(shù)字表示器件序號第五部分字母(漢拼)表示規(guī)格號如硅NPN型高頻小功率管3

D

G

110

A三極管NPN型硅高頻小功率序號規(guī)格號二、BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)iC

/mAuCE100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O24684321(HFE)

(2)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

(hFE)一般為幾十幾百Q大小相近可以混用表2.1.13DG100三極管值的分擋標志色點顏色紅黃綠藍白不標色范圍20~3030~6060~100100~150100~150>2002.極間反向飽和電流(1)集電極–基極反向飽和電流ICBOICBOVCCAbce(2)集電極-發(fā)射極反向飽和電流ICEOICEOVCCAbceICEO=（1+）ICBOBJT的主要極限參數(shù)1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時

值明顯降低。U(BR)CBO

—發(fā)射極開路時C、B極間反向擊穿電壓。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基極開路時C、E極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO

—集電極極開路時E、B極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO已知:

ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，當UCE

=

10V，IC<

mA當UCE

=

1V，IC<

mA當IC

=

2mA，UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)三、BJT的選管原則1.使用時不能超過極限參數(shù)（ICM,PCM,U(BR)CEO）。2.工作在高頻條件下應選用高頻或超高頻管;工作在開關條件下應選用速度足夠高的開關管。3.要求反向電流小、允許結溫高且溫變大時，選硅管;要求導通電壓低時選鍺管。4.同型號管，優(yōu)先選用反向電流小的。值不宜過大，一般以幾十~一百左右為宜。（進口小功率管較大，如9013、9014等

在200以上）1.3半導體二極管的基本應用1.3.1單相橋式整流濾波電路1.3.2硅高壓整流堆簡介1.3.3限幅電路1.3.1單相橋式整流濾波電路一、單相橋式整流D3RLD4D2D1u1u2+uoioRLD4D3D2D1+uou2u1輸入正半周1.工作原理輸入負半周+uotOtOtOtO2323Im2233uOu2uDiD=iO2.負載上直流電壓UO

和直流電流IO

的計算3.二極管參數(shù)的計算二極管平均電流二極管最大反向壓單相半波單相全波單相橋式電路原理圖輸出直流電壓UO0.45U20.9U20.9U2二極管平均電流IDIO0.5IO0.5IO最高反壓UDRM優(yōu)點結構簡單輸出波形脈動小輸出波形脈動小二極管承受反壓小缺點輸出波形脈動大輸出電壓低，二極管承受反壓高變壓器要求有抽頭需要四只二極管表1.3.1各種單相整流電路的比較iO+u2u1++uOiO+u2u1++uOiO+u2u1++uOiD1例1.3.1一單相橋式整流電路，要求UO=40V，IO=2A，220V交流電源，試選擇整流二極管。解：變壓器副邊電壓有效值為二極管承受最高反壓為二極管的平均電流為可選擇2CZ56CURM=

100

VIFM=

3

A二、硅整流組合管外形~表1.4.2幾種硅整流組合管的典型參數(shù)

參數(shù)型號IFM/AUDRM/VIR/AUF/VQL20.0525~1000101.2QL20.2QL30.5QL4520io+

uo=ucRLD1D4D3D2+u1.電容濾波V導通時給C充電，V截止時C向RL放電；（1）工作原理濾波后

uo

的波形變得平緩，平均值提高。電容充電電容放電C三、濾波電路RC越大UO越大（2）波形及參數(shù)計算當RL=時：OtuO2當RL為有限值時：RL=輸入交流電壓的周期當滿足：UO=(1.1~1.2)U2I2=(1.5~2)IO變壓器副邊繞組電流有效值（3）輸出特性OUOIO輸出電壓隨輸出電流的增大而明顯降低，帶負載能力差。一般用于負載電流較小且變化不大的場合。電容濾波：優(yōu)點：電路簡單，輸出直流電壓較高，紋波較小。缺點：帶負載能力差。[例1.3.2]要求直流輸出電壓UO

=

24

V，IO=

120

mA，220V的交流電源頻率f=

50

Hz，采用單相橋式整流電容濾波，選擇元件。解1.電源變壓器參數(shù)計算變壓器變比：變壓器副邊電流：I2=2IO=2120mA=240mA2.整流二極管選擇二極管平均電流：承受最高反壓：2CZ53B:IF

=

0.3AURM

=

50V硅堆QL3:0.2A,50V3.選濾波電容電解電容:200F耐壓50V

2.電感濾波io+

uoRLD1D4D3D2+u2+u1L整流后的輸出電壓：直流分量被電感L

短路交流分量主要降在L上優(yōu)點：頻率越高，L越大，RL越小，濾波效果越好。缺點：電感鐵心笨重、體積大。適用于負載電流較大且負載變化大的場合。2.復式濾波復式濾波型型RCLCLC表1.4.3各種濾波器的比較類型電容濾波電感濾波RC-型LC-型LC-

型UO1.2UO1.2UO1.2UO1.2UO0.9UO二極管沖擊電流大小大大小帶載能力差強差差強適用場合小電流大電流小電流小電流大/小電流其它特點電路簡單電感笨重成本高脈動成分減小，但R上有直流壓降脈動成分減小，但電感笨重成本高脈動成分減小，適應性較強，但有電感1.結構多個高壓硅整流二極管串聯(lián)后封裝而成2.外形DH262CGL2CL513.用途要求承受高反壓的場合,如靜電噴漆、除塵等表1.4.4幾種高壓硅堆的主要參數(shù)

參數(shù)型號IFM/mAURM/VUF/V

IR/ATjM/°C2CG10~20210~2020~4021002DGL1A512~3020~50101251.3.2硅高壓整流堆(高壓硅堆)簡介4.倍壓整流電路u2負半周，D2導通,C2充電至u2再次正半周，D1,D3導通,C1充電至,C3充電至u2再次負半周，D2,D4導通,C2充電至,C4充電至u2正半周，D1導通,C1充電至倍壓整流電路只適于負載電流很小的場合D1D2uiuORUC1UC21.3.3限幅電路ui正半周:ui<UC1時:D1、D2均截止uO=uiui>UC1時:uO=UC1D1導通D2截止ui負半周:|ui|

<

UC2時:D1、D2均截止uO=ui|ui|

>

UC2時:D2導通D1截止uO=UC2OtuOOtuiUC1–UC2UC1–UC21.4特殊二極管1.5.1穩(wěn)壓管1.5.2變容二極管1.5.3光電器件1.4.1穩(wěn)壓管一、硅穩(wěn)壓管及其伏安特性符號工作條件：反向擊穿ak特性IUOUZIZminIZMUZIZIZ+––+特點：*正向特性與普通二極相同*反向擊穿特性較陡*反向擊穿電壓幾~幾十V，在允許范圍內為電擊穿二、主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ

流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ

越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin時不穩(wěn)壓。3.最大工作電流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動態(tài)電阻rZrZ=UZ/IZ越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾十IUOUZIZminIZMUZIZIZ5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)CT一般，UZ<4V，CTV<0(為齊納擊穿)具有負溫度系數(shù)；UZ>7V，CTV>0(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4V<UZ<7V，CTV很小。表1.4.1幾種硅半導體穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

參數(shù)型號UZ

/VIZ/mAIZM

/

mArZ/CTV/(%/°C)PZM/W2CW552CW712DW7A*6.2~7.535~405.8~6.610310336301510025

0.060.100.050.250.250.25具有溫度補償?shù)?DW系列123正溫度系數(shù)負溫度系數(shù)2DW123對應正極三、使用穩(wěn)壓管注意事項必須工作在反向偏置(利用正向特性穩(wěn)壓除外)。工作電流應在IZ和IZM之間。串聯(lián)使用時，穩(wěn)壓值等于各管穩(wěn)壓值之和。不能并聯(lián)使用，以免因不同管子穩(wěn)壓值的差異造成電流分配不均勻，引起管子過載損壞。[例1.4.1]已知UZ1

=

8

V，UZ2

=

6

V

，ui

=

12sintV，畫uO波形。解ui

正半波，DZ1反偏，

DZ2正偏當ui

UZ1+UF2=8.7V時，DZ1反向擊穿，

DZ2正向導通ui

負半波，DZ1正偏，

DZ2反偏當|ui

|

UF1+