半导体二极管及其应用

一半导体二极管及其应用,1半导体基础知识,2半导体二极管,3二极管电路分析与应用,4特殊二极管,5二极管的型号与检测,6小结,1半导体的基础知识,1.1半导体的主要特性,1.2PN结,1.1半导体的主要特性,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,载流子,自由运动的带电粒子。,共价键,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,硅(锗)的原子结构,简化模型,硅(锗)的共价键结构,自由电子,(束缚电子),空穴可在共价键内移动,1、本征半导体,本征激发：,复合：,自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,漂移：,自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。,两种载流子,电子(自由电子),空穴,两种载流子的运动,自由电子(在共价键以外)的运动,空穴(在共价键以内)的运动,结论：,1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；,2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,两种载流子,2、杂质半导体,（1）N型半导体,N型,磷原子,自由电子,电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数电子数,空穴多子,电子少子,载流子数空穴数,施主离子,施主原子,受主离子,受主原子,P型,硼原子,空穴,电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数电子数,空穴多子,电子少子,载流子数空穴数,施主离子,施主原子,受主离子,受主原子,（2）P型半导体,1.2PN结,1、PN结的形成,1.载流子的浓度差引起多子的扩散,2.复合使交界面形成空间电荷区,(耗尽层),空间电荷区特点:,无载流子，,阻止扩散进行，,利于少子的漂移。,3.扩散和漂移达到动态平衡,扩散电流等于漂移电流，,总电流I=0。,内建电场,PN结形成,2、PN结的单向导电性,（1）外加正向电压(正向偏置),内电场,外电场,外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。,扩散运动加强形成正向电流IF。,IF=I多子I少子I多子,（2）外加反向电压(反向偏置),外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。,PN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,漂移运动加强形成反向电流IR,IR=I少子0,PN结正向偏置分析,PN结反向偏置分析,半导体为什么能导电?,半导体基础知识小结半导体为什么能导电?(动画演示),2半导体二极管,2.1二极管的结构,2.2二极管的主要特性,2.3二极管的主要参数,2.1二极管的结构,构成：,PN结+引线+管壳=二极管(Diode),符号：,A,(anode),C,(cathode),分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,2.2二极管的主要特性,1、正向特性与反向特性,正向特性,Uth,死区电压,iD=0,Uth=0.5V,0.1V,(硅管),(锗管),UUth,iD急剧上升,0UUth,UD(on)=(0.60.8)V,硅管0.7V,(0.10.3)V,锗管0.2V,反向特性,IS,U(BR),反向击穿,U(BR)U0,iD=IS,0.1A(硅),几十A(锗),U0V时，D导通，则uO=ui,当ui0V时，D截止，则uO=0V,由此，利用二极管的单向导电性，实现了半波整流。,若输入信号为正弦波：,例1.2画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sint(V)作用下输出uO的波形。,(按理想模型),若有条件，可切换到EWB环境观察桥式整流波形。,2.限幅电路,整流限幅作用,V,限幅电平为V。ui时二极管导通,uoV；uiV,二极管截止,uoui。波形如图(a)所示。如果Um,则限幅电平为。ui,二极管截止,uoui；ui,二极管导通,uo。波形图如图()所示。如果m,则限幅电平为-E,波形图如图()所示。,例1.3二极管双向限幅电路如图所示，设ui10sint(V)，二极管为理想器件，试画出输出ui和uo的波形。的值。,解:ui正半周时，V2截止。当ui-6V时，V2截止，uO=ui。波形可画出如图所示。,V2uiV1时，D1、D2截止,uo=ui,uiV1时，D1导通、D2截止,uo=V1,uiV2时，D2导通、D1截止,uo=V2,由此，电路实现双向限幅功能。,其中：V1为上限幅电平，V2为下限幅电平。,例1.4限幅电路(或削波电路）如图,画输出波形。,3.门电路,图示为二极管与门电路。当输入端A与B同时为高电平“1”（+5V）时，二极管D1、D2均截止，R中没有电流，其上的电压降为0V，输出端L为高电平“1”（+5V）；,当A、B中任何一端为低电平“0”（0V）或A、B端同时为低电平“0”时，二极管D1、D2的导通使输出端L为低电平“0”（0.7V）。即输入与输出信号状态满足“与”逻辑关系。实现“与”逻辑关系的电路称为“与门”。,例1.5二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。,0V,0V,正偏导通,正偏导通,0V,0V,5V,正偏导通,反偏截止,0V,5V,0V,反偏截止,正偏导通,0V,5V,5V,正偏导通,正偏导通,5V,小结,理想二极管：,正偏导通，电压降为零，相当于开关合上；,反偏截止，电流为零，相当于开关断开。,恒压降模型：,正偏电压UD(on)时导通，等效为恒压源UD(on)；,否则截止，相当于二极管支路断开。,4特殊二极管,4.1稳压二极管,4.2发光二极管,4.1稳压二极管,1.稳压特性,符号,工作条件：反向击穿,特性,2.基本参数,1)稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。,2)稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。,3)最大工作电流IZM最大耗散功率PZM,PZM=UZIZM,4)动态电阻rZ,rZ=UZ/IZ,越小稳压效果越好。,几几十,3.分析简单稳压电路的工作原理，R为限流电阻。,IR=IZ+IL,UO=UIIRR,当UI波动时(RL不变),反之亦然,当RL变化时(UI不变),反之亦然,4.2发光二极管,1.发光二极管LED,1)符号和特性,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十mA，导通电压(12)V,2)主要参数,电学参数：IFM，U(BR)，IR,光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型：普通LED，,不可见光：红外光,，点阵LED,符号,特性,七段LED,点式LED,字段式LED,点阵式LED,光柱式LED,LED的类型,2.光敏二极管,1)符号和特性,符号,特性,工作条件：反向偏置,2)主要参数,电学参数：,暗电流，光电流，最高工作范围,光学参数：,光谱范围，灵敏度，峰值波长,实物照片,结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的窗口。,补充：选择二极管限流电阻,步骤：,1.设定工作电压(如0.7V；2V(LED)；UZ),2.确定工作电流(如1mA；10mA；5mA),3.根据欧姆定律求电阻R=(UIUD)/ID,(R要选择标称值),5二极管的型号与检测,5.1二极管的型号与参数选录,5.2二极管的识别与检测,5.1二极管的型号与参数选录,国产二极管的型号由五个部分组成。其型号组成部分的符号及其意义见表1-1。,2AP9,表1-1国产半导体分立器件型号命名法,表12部分半导体二极管参数,（1）部分常用检波二极管参数,（2）部分整流二极管参数,测试条件,（3）常用稳压二极管的主要参数,5.2二极管的识别与检测,1.目测判别极性,2.用万用表检测二极管,在R1k挡进行测量，,红表笔是(表内电源)负极，黑表笔是(表内电源)正极。,测量时手不要接触引脚。,(1)用指针式万用表检测,一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。,正反向电阻相差不大为劣质管。,正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。,(2)用数字式万用表检测,红表笔是(表内电源)正极，黑表笔是(表内电源)负极。,一、两种半导体和两种载流子,两种载流子的运动,电子,自由电子,空穴,价电子,两种半导体,N型(多电子),P型(多空穴),二、二极管,1.特性,单向导电,正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。,2.主要参数,正向最大平均电流IF,反向,最大反向工作电压U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流IR(IS)(受温度影响),IS,6小结,3.二极管的等效模型,理想模型(大信号状态采用),正偏导通电压降为零相当于理想开关闭合,反偏截止电流为零相当于理想开关断开,恒压降模型,UD(on),正偏电压