半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路71645課件

第1章半導(dǎo)體二極管及其

應(yīng)用電路

1.1PN結(jié)1.2半導(dǎo)體二極管1.3整流濾波電路1.4特殊二極管1.1PN結(jié)

1.1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識

圖1.1表示的是由二極管、燈泡、限流電阻、開關(guān)及電源等組成的簡單電路。電路演示如下:按圖1.1(a)所示,閉合開關(guān)S,燈泡發(fā)光,說明電路導(dǎo)通。若二極管管腳調(diào)換位置,如圖1.1(b)所示,閉合開關(guān)S,燈泡不發(fā)光,由以上演示結(jié)果可知:二極管具有單向?qū)щ娦?。圖1.1半導(dǎo)體二極管導(dǎo)電性能的實驗

2．半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)在電子器件中,用得最多的材料是硅和鍺,硅和鍺都是四價元素,最外層原子軌道上具有4個電子,稱為價電子。每個原子的4個價電子不僅受自身原子核的束縛,而且還與周圍相鄰的4個原子發(fā)生聯(lián)系,這些價電子一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動,另一方面也時常出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。這樣,相鄰的原子就被共有的價電子聯(lián)系在一起,稱為共價鍵結(jié)構(gòu)。如圖1.2所示。

圖1.2硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)

圖1.3本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對示意圖自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的,所以稱它們?yōu)殡娮涌昭▽ΑＴ诒菊靼雽?dǎo)體中,電子與空穴的數(shù)量總是相等的。我們把在熱或光的作用下,本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象,稱為本征激發(fā),又稱為熱激發(fā)。由于共價鍵中出現(xiàn)了空位,在外電場或其他能源的作用下,鄰近的價電子就可填補(bǔ)到這個空穴上,而在這個價電子原來的位置上又留下新的空位,以后其他價電子又可轉(zhuǎn)移到這個新的空位上,如圖1.4所示。為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)動,我們把這種價電子的填補(bǔ)運(yùn)動稱為空穴運(yùn)動,認(rèn)為空穴是一種帶正電荷的載流子,它所帶電荷和電子相等,符號相反。由此可見,本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子:電子和空穴。而金屬導(dǎo)體中只有一種載流子——電子。本征半導(dǎo)體在外電場作用下,兩種載流子的運(yùn)動方向相反而形成的電流方向相同,如圖1.5所示。

圖1.5兩種載流子在電場中的運(yùn)動

3．雜質(zhì)半導(dǎo)體1)N型半導(dǎo)體在純凈的半導(dǎo)體硅（或鍺）中摻入微量五價元素（如磷）后,就可成為N型半導(dǎo)體,如圖1.6(a)所示。在這種半導(dǎo)體中,自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù),導(dǎo)電以電子為主,故此類半導(dǎo)體亦稱電子型半導(dǎo)體。2)P型半導(dǎo)體在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量三價元素雜質(zhì),如硼（或銦）等。硼原子只有3個價電子,它與周圍硅原子組成共價鍵時,因缺少一個電子,在晶體中便產(chǎn)生一個

空穴。這個空穴與本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴都是載流子,具有導(dǎo)電性能。P型半導(dǎo)體共價鍵結(jié)構(gòu)如圖1.6(b)所示。在P型半導(dǎo)體中,空穴數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù),空穴為多數(shù)載流子(簡稱“多子”),自由電子為少數(shù)載流子(簡稱“少子”)。導(dǎo)電以空穴為主,故此類半導(dǎo)體又稱為空穴型半導(dǎo)體。

1.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦?/p>

1.PN結(jié)的形成在一塊完整的晶片上,通過一定的摻雜工藝,一邊形成P型半導(dǎo)體,另一邊形成N型半導(dǎo)體。在交界面兩側(cè)形成一個帶異性電荷的離子層,稱為空間電荷區(qū),并產(chǎn)生內(nèi)電場,其方向是從N區(qū)指向P區(qū),內(nèi)電場的建立阻礙了多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動,隨著內(nèi)電場的加強(qiáng),多子的擴(kuò)散運(yùn)動逐步減弱,直至停止,使交界面形成一個穩(wěn)定的特殊的薄層,即PN結(jié)。因為在空間電荷區(qū)內(nèi)多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對方并復(fù)合掉了,或者說消耗盡了,因此空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦栽赑N結(jié)兩端外加電壓,稱為給PN結(jié)以偏置電壓。1)PN結(jié)正向偏置給PN結(jié)加正向偏置電壓,即P區(qū)接電源正極,N區(qū)接電源負(fù)極,此時稱PN結(jié)為正向偏置(簡稱正偏),如圖1.7所示。由于外加電源產(chǎn)生的外電場的方向與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場方向相反,削弱了內(nèi)電場,使PN結(jié)變薄,有利于兩區(qū)多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散,形成正向電流,此時PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。

2)PN結(jié)反向偏置給PN結(jié)加反向偏置電壓,即N區(qū)接電源正極,P區(qū)接電源負(fù)極,稱PN結(jié)反向偏置(簡稱反偏),如圖1.8所示。

圖1.8PN結(jié)加反向電壓

由于外加電場與內(nèi)電場的方向一致,因而加強(qiáng)了內(nèi)電場,使PN結(jié)加寬,阻礙了多子的擴(kuò)散運(yùn)動。在外電場的作用下,只有少數(shù)載流子形成的很微弱的電流,稱為反向電流。

應(yīng)當(dāng)指出,少數(shù)載流子是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的,因而PN結(jié)的反向電流受溫度影響很大。綜上所述,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?即加正向電壓時導(dǎo)通,加反向電壓時截止。

圖1.9二極管結(jié)構(gòu)、符號及外形舉例(a)結(jié)構(gòu)；(b)符號；(c)外形

2．類型(1）按材料分:有硅二極管,鍺二極管和砷化鎵二極管等。(2）按結(jié)構(gòu)分:根據(jù)PN結(jié)面積大小,有點(diǎn)接觸型、面接觸型二極管。(3）按用途分:有整流、穩(wěn)壓、開關(guān)、發(fā)光、光電、變?nèi)荨⒆枘岬榷O管。(4）按封裝形式分:有塑封及金屬封等二極管。(5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二極管。圖1.10半導(dǎo)體器件的型號組成

1.2.3半導(dǎo)體二極管的伏安特性

半導(dǎo)體二極管的核心是PN結(jié),它的特性就是PN結(jié)的特性——單向?qū)щ娦浴３＠梅蔡匦郧€來形象地描述二極管的單向?qū)щ娦?。若以電壓為橫坐標(biāo),電流為縱坐標(biāo),用作圖法把電壓、電流的對應(yīng)值用平滑的曲線連接起來,就構(gòu)成二極管的伏安特性曲線,如圖1.11所示（圖中虛線為鍺管的伏安特性,實線為硅管的伏安特性）。下面對二極管伏安特性曲線加以說明。

圖1.11二極管伏安特性曲線

1.正向特性

二極管兩端加正向電壓時,就產(chǎn)生正向電流,當(dāng)正向電壓較小時,正向電流極?。◣缀鯙榱悖?這一部分稱為死區(qū),相應(yīng)的A(A′)點(diǎn)的電壓稱為死區(qū)電壓或門檻電壓(也稱閾值電壓),硅管約為0.5V,鍺管約為0.1V,如圖1.6中OA(OA′)段。當(dāng)正向電壓超過門檻電壓時,正向電流就會急劇地增大,二極管呈現(xiàn)很小電阻而處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時硅管的正向?qū)▔航导s為0.6~0.7V,鍺管約為0.2~0.3V,如圖1.11中AB(A′B′)段。二極管正向?qū)〞r,要特別注意它的正向電流不能超過最大值,否則將燒壞PN結(jié)。

2.反向特性二極管兩端加上反向電壓時,在開始很大范圍內(nèi),二極管相當(dāng)于非常大的電阻,反向電流很小,且不隨反向電壓而變化。此時的電流稱之為反向飽和電流IR,見圖1.11中OC（OC′）段。

3.反向擊穿特性二極管反向電壓加到一定數(shù)值時,反向電流急劇增大,這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。此時對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓,用UBR表示,如圖1.11中CD(C′D′)段。

4.溫度對特性的影響由于二極管的核心是一個PN結(jié),它的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān),溫度升高時二極管正向特性曲線向左移動,正向壓降減小;反向特性曲線向下移動,反向電流增大。1.2.4半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)

1.最大整流電流IF2.最大反向工作電壓URM3.反向飽和電流IR

4.二極管的直流電阻R5.最高工作頻率fM

1.2.5二極管的簡易測試將萬用表置于R×100或R×1k(Ω)擋（R×1擋電流太大,用R×10k(Ω)擋電壓太高,都易損壞管子）。如圖1.12所示,圖1.12萬用表簡易測試二極管示意圖(a)電阻?。?b)電阻大

1.2.6二極管使用注意事項

二極管使用時，應(yīng)注意以下事項：(1)二極管應(yīng)按照用途、參數(shù)及使用環(huán)境選擇。

(2)使用二極管時,正、負(fù)極不可接反。通過二極管的電流,承受的反向電壓及環(huán)境溫度等都不應(yīng)超過手冊中所規(guī)定的極限值。(3)更換二極管時,應(yīng)用同類型或高一級的代替。(4)二極管的引線彎曲處距離外殼端面應(yīng)不小于2mm,以免造成引線折斷或外殼破裂。1.3整流濾波電路1.3.1整流電路1.單相半波整流電路1）電路的組成及工作原理圖1.14(a)所示為單相半波整流電路。由于流過負(fù)載的電流和加在負(fù)載兩端的電壓只有半個周期的正弦波,故稱半波整流。

圖1.14單相半波整流電路及波形圖(a)電路圖；(b)波形圖2）負(fù)載上的直流電壓和直流電流直流電壓是指一個周期內(nèi)脈動電壓的平均值。即(1.1)流過負(fù)載RL上的直流電流為(1.2)3）整流二極管參數(shù)由圖1.14(a)可知,流過整流二極管的平均電流IV與流過負(fù)載的電流相等,即

（1.3）當(dāng)二極管截止時，它承受的反向峰值電壓URM是變壓器次級電壓的最大值，即（1.4）

2．單相橋式整流電路1）電路的組成及工作原理橋式整流電路由變壓器和四個二極管組成,如圖1.15所示。由圖(a)可見,四個二極管接成了橋式,在四個頂點(diǎn)中,相同極性接在一起的一對頂點(diǎn)接向直流負(fù)載RL,不同極性接在一起的一對頂點(diǎn)接向交流電源。輸出波形如圖1.17所示。

圖1.15單相橋式整流電路(a)電路畫法一；(b)電路畫法二；(c)電路畫法三圖1.16單相橋式電路的電流通路(a)u2正半周時；(b)u2負(fù)半周時圖1.17橋式整流電路輸出波形圖2）負(fù)載上的直流電壓和直流電流由上述分析可知,橋式整流負(fù)載電壓和電流是半波整流的兩倍。（1.5）（1.6）3）整流二極管的參數(shù)在橋式整流電路中,因為二極管V1、V3和V2、V4在電源電壓變化一周內(nèi)是輪流導(dǎo)通的,所以流過每個二極管的電流都等于負(fù)載電流的一半,即橋式整流電路與半波整流電路相比,電源利用率提高了1倍,同時輸出電壓波動小,因此橋式整流電路得到了廣泛應(yīng)用。電路的缺點(diǎn)是二極管用得較多，電路連接復(fù)雜，容易出錯，為了解決這一問題，生產(chǎn)廠家常將整流二極管集成在一起構(gòu)成橋堆,內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形如圖1.18所示。（1.7）從圖1.16可知，每個二極管在截止時承受的反向峰值電壓為（1.8）圖1.18橋堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形圖(a)半橋堆；(b)全橋堆使用一個“全橋”或連接兩個“半橋”,就可代替四只二極管與電源變壓器相連,組成橋式整流電路,非常方便。選用時,應(yīng)注意橋堆的額定工作電流和允許的最高反向工作電壓應(yīng)符合整流電路的要求。1.3.2濾波電路

常見的電路形式如圖1.19所示。圖1.19各種濾波電路

1．電容濾波電路

1)電路組成及工作原理圖1.20(a)為單相半波整流電容濾波電路,它由電容C和負(fù)載RL并聯(lián)組成。圖1.20半波整流電容濾波電路及波形其工作原理如下:當(dāng)u2的正半周開始時，若u2>uC(電容兩端電壓)，整流二極管V因正向偏置而導(dǎo)通，電容C被充電：由于充電回路電阻很小，因而充電很快，uC和u2變化同步。當(dāng)ωt=π/2時，u2達(dá)到峰值，C兩端的電壓也近似充至

u2值。在橋式整流電路中加電容進(jìn)行濾波器與半波整流濾波電路工作原理是一樣的,不同點(diǎn)是在u2全周期內(nèi),電路中總有二極管導(dǎo)通,所以u2對電容C充電兩次,電容器向負(fù)載放電的時間縮短,輸出電壓更加平滑,平均電壓值也自然升高。這里不再贅述。橋式整流電容濾波電路及波形如圖1.21所示。圖1.21橋式整流電容濾波電路及波形(a)電路；(b)波形3)元件選擇(1)電容選擇:濾波電容C的大小取決于放電回路的時間常數(shù),RLC愈大,輸出電壓脈動就愈小,通常取RLC為脈動電壓中最低次諧波周期的3～5倍,即2）負(fù)載上電壓的計算（半波）（1.9）（半波、全波）（1.10）（橋式、全波）（1.11）（半波）（1.12）4)電容濾波的特點(diǎn)電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓高、脈動小。但在接通電源的瞬間,將產(chǎn)生強(qiáng)大的充電電流,這種電流稱為“浪涌電流”;同時,因負(fù)載電流太大,電容器放電的速度加快,會使負(fù)載電壓變得不夠平穩(wěn),所以電容濾波電路只適用于負(fù)載電流較小的場合。(2)整流二極管的選擇。正向平均電流為（半波）（1.13）（橋式）（1.14）

2.電感濾波電路電感線圈L和負(fù)載的串聯(lián)電路,同樣具有濾波作用,電路如圖1.22所示。整流濾波輸出的電壓,可以看成由直流分量和交流分量疊加而成。因電感線圈的直流電阻很小,交流電抗很大,故直流分量順利通過,交流分量將全部降到電感線圈上,這樣在負(fù)載RL得到比較平滑的直流電壓。電感濾波電路的輸出電壓為(1.17)圖1.22橋式整流電感濾波電路及波形(a)電路；(b)波形1.4特殊二極管

前面主要討論了普通二極管,另外還有一些特殊用途的二極管,如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管等,現(xiàn)介紹如下。

1．穩(wěn)壓二極管1）穩(wěn)壓二極管的工作特性穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管,它的特性曲線和符號如圖1.23所示。

圖1.23穩(wěn)壓二極管的特性曲線和符號(a)伏安特性曲線；(b)符號2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ。穩(wěn)定電壓UZ即反向擊穿電壓。(2)穩(wěn)定電流IZ。穩(wěn)定電流IZ是指穩(wěn)壓管工作至穩(wěn)壓狀態(tài)時流過的電流。當(dāng)穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流小于最小穩(wěn)定電流IZmax時,沒有穩(wěn)定作用;大于最大穩(wěn)定電流IZmax時,管子因過流而損壞。

2．發(fā)光二極管發(fā)光二極管與普通二極管