项目六 半导体 二极管的应用

1、孙乐春孙乐春汽车工程学院汽车工程学院6.1 半导体及二极管基础知识半导体及二极管基础知识6.2 二极管应用二极管应用6.1 半导体及二极管基础知识半导体及二极管基础知识一、半导体基础知识一、半导体基础知识1.半导体半导体导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体半导体。 常用的半导体材料有硅（常用的半导体材料有硅（Si）、锗）、锗 （Ge）和硒（）和硒（Se）等。一）等。一般半导体材料为四价元素般半导体材料为四价元素 硅硅锗锗44共价键价电子44444444半导体的特性半导体的特性描述描述热敏特性热敏特性温度升高或受到光照，半导体温度升高或受到光照，半导

2、体材料的导电能力增强材料的导电能力增强光敏特性光敏特性掺杂特性掺杂特性本征半导体中掺入某种微量元本征半导体中掺入某种微量元素（杂质）后，它的导电能力素（杂质）后，它的导电能力增强，利用该特性可形成杂质增强，利用该特性可形成杂质半导体半导体2.本征半导体本征半导体纯净的不含任何杂质的半导体叫做本征半导体。纯净的不含任何杂质的半导体叫做本征半导体。 在绝对温度零度在绝对温度零度(即即0 K，相当于，相当于-273)，且无外界激发时，本，且无外界激发时，本征半导体每一外围电子被共价键所束缚，半导体内部无电子存征半导体每一外围电子被共价键所束缚，半导体内部无电子存在，和绝缘体一样不导电。在，和绝缘体一

3、样不导电。但在室温下，仅有少数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱但在室温下，仅有少数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为共价键的束缚成为自由电子自由电子（称为（称为热激发热激发），并在相应的共价键），并在相应的共价键中留下中留下空穴空穴 本征激发本征激发 4 4 4 4 4 4 4 4 4自由电子空穴 4 4 4 4 4 4 4 4 4自由电子空穴E空穴移动产生电流空穴移动产生电流 代表束缚电子移动产生电流代表束缚电子移动产生电流结论：结论：由此可见由此可见,在本征半导体中，共价键或束缚电子移动产在本征半导体中，共价键或束缚电子移动产生电流的根本原因是由于空穴而引起的。我们可

4、以将空生电流的根本原因是由于空穴而引起的。我们可以将空穴看成一个带正电荷的粒子，在外加电场作用下，它可穴看成一个带正电荷的粒子，在外加电场作用下，它可以自由的移动，以自由的移动， 移动的方向和电流的方向相同。所以移动的方向和电流的方向相同。所以空穴也是一种空穴也是一种载流子载流子空穴越多，半导体中的载流子数目就越多，空穴越多，半导体中的载流子数目就越多，因此形成的电流越大因此形成的电流越大半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的自由电子与空穴是同时成对产生的,

5、因此因此, 它们的浓度是相等的。我们用它们的浓度是相等的。我们用n和和p分别表示电子和空穴的浓分别表示电子和空穴的浓度度ni=pi下标下标i表示为本征半导体表示为本征半导体载流子的产生与复合载流子的产生与复合 价电子在热运动中获得能量产生了电子价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇与空穴相遇, 使电子、使电子、 空穴对消失空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一载流子的浓

6、度是一定的。定的。3.杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的半导体称为杂质半导体。杂质后的半导体称为杂质半导体。按掺入杂质的性质不同，分按掺入杂质的性质不同，分N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体（1） N型半导体型半导体在本征半导体中，掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，可在本征半导体中，掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，可形成形成N型半导体型半导体。由于五价杂质原子可提供自由电子，故称

7、为由于五价杂质原子可提供自由电子，故称为施主原施主原子子。N N型半导体中，自由电子称为多数载流子，空穴称为型半导体中，自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。少数载流子。 自由电子自由电子施主原子施主原子N型半导体特点型半导体特点型半导体中型半导体中, 自由电子为多数载流子；空穴为少自由电子为多数载流子；空穴为少数载流子。数载流子。 半导体仍呈电中性半导体仍呈电中性（2） P型半导体型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体型半导体，也称为空穴型半导体。，也称为空穴型半导体。由于三价杂质原子容易吸收电子，故称

8、为由于三价杂质原子容易吸收电子，故称为受主原子受主原子。P P型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载流子。载流子。 受主原子受主原子空穴空穴P型半导体特点型半导体特点P型半导体中空穴是型半导体中空穴是多数载流子多数载流子，主要由掺杂形，主要由掺杂形成；成； 电子是电子是少数载流子，少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。半导体仍呈电中性半导体仍呈电中性4.载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散1）漂移）漂移由于电场作用而导致载流子的运动称为由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移漂移2）扩散）扩散由于载流子浓度的差异而导致载流子的运动称为

9、由于载流子浓度的差异而导致载流子的运动称为扩散扩散二、二极管二、二极管 1.PN 结结 在同一块半导体基片的两边分别形成在同一块半导体基片的两边分别形成N型和型和P型半导体，它们的型半导体，它们的交界区域会形成一个很薄的空间电荷区，称为交界区域会形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结结杂质浓度差杂质浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区形成内电形成内电场场促使少子漂移、阻止多子扩散促使少子漂移、阻止多子扩散达到动态平衡达到动态平衡扩散运动和漂移运动是相互矛盾的，少数载流子的漂移运动使扩散运动和漂移运动是相互矛盾的，少数载流子的漂移运动使空间电荷区变窄空间电荷区变窄 2.P

10、N结的导电性结的导电性1）PN结正向偏置结正向偏置给给PN结加正向电压，即结加正向电压，即P区接电源正极，区接电源正极，N区接电源负极，此时区接电源负极，此时称称PN结为结为正向偏置正向偏置。只有外电压增加到某一值时，才产生较大的扩散电流，该电压只有外电压增加到某一值时，才产生较大的扩散电流，该电压称称 PN 结的死区电压，一般硅材料为结的死区电压，一般硅材料为0.7V，锗材料为，锗材料为0.3V,由上由上可知可知,PN 结正向偏置时导通电流很大（外加电压大于死区电压结正向偏置时导通电流很大（外加电压大于死区电压时）。时）。2）PN结反向偏置结反向偏置当当 PN结的结的P型区接外电源负极，型区

11、接外电源负极，N型区接外电源正极时称型区接外电源正极时称反向偏置反向偏置 在内电场的作用下，在内电场的作用下，N型区中的少数载流子（空穴）越过型区中的少数载流子（空穴）越过PN结结进入进入P区；区；P型区中的少数载流子（自由电子）越过型区中的少数载流子（自由电子）越过PN结进入结进入N型区，于是在外电源的作用下形成了连续不断的由型区，于是在外电源的作用下形成了连续不断的由 N 型区流向型区流向P型区的电流，称为型区的电流，称为反向电流反向电流 扩散扩散电流电流几乎几乎为为0，反向反向电流电流很小很小PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;

12、 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。总结：总结：3二极管的结构和类型二极管的结构和类型 以以PN结为管芯，在结为管芯，在P区和区和N区均接上电极引线，并以外壳封区均接上电极引线，并以外壳封装，就制成了装，就制成了半导体二极管半导体二极管，简称，简称二极管二极管。 与与P区相连的引线称为阳极，用区相连的引线称为阳极，用“+”表示，与表示，与N 区相连的引线区相连的引线称为阴极，用称为阴极，用“-”表示。表示。按结构分二极管有点接触型和面接触型。按结构分二极管有点接触型和面接触型。 点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负

13、极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金金锑锑合金合金结电容小结电容小工作频率低工作频率低三、二极管的伏安特性三、二极管的伏安特性伏安特性伏安特性就是管子两电极间所加的电压与其流过的电流之间的就是管子两电极间所加的电压与其流过的电流之间的关系曲线。电压的单位为伏（关系曲线。电压的单位为伏（V），电流的单位为安（），电流的单位为安（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OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (

14、锗管锗管) )U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth 反向特性反向特性ISU (BR)反向击穿反向击穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) 几十几十 A ( (锗锗) )U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大U UthiD 急剧上升急剧上升604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20 C90 C四、半导体二极管主要参数四、半导体二极管主要参数在工程上必须根据二极管的参数合理地使用和选择二极管，只在工程上必须根据二极管的参数合理地使用和选择二极管，只有这样才能充分发挥每个管子的作用。有这样才能充分发挥每个管子的作用。 最大整流电流

15、最大整流电流I IOMOM最大反向电流最大反向电流I IRMRM最大反向工作电压最大反向工作电压U URMRM1.1.最大整流电流最大整流电流I IOMOM它是二极管长时间使用时，允许通过二极管的它是二极管长时间使用时，允许通过二极管的最大正向平均电最大正向平均电流流。点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大整流电流较大，如二极管的最大整流电流较大，如2CP10型硅二极管的最大整型硅二极管的最大整流电流为流电流为100mA 。当电流超过允许值时，将由于。当电流超过允许值时，将由于 PN 结过热结过热而使管子损坏。而使管

16、子损坏。2最大反向工作电压最大反向工作电压URM 它是指二极管在工作中能承受的它是指二极管在工作中能承受的最大反向电压最大反向电压，也是使二极管，也是使二极管不致反向击穿的电压极限值。在一般情况下，最大反向工作电不致反向击穿的电压极限值。在一般情况下，最大反向工作电压应小于反向击穿电压，是反向击穿电压的压应小于反向击穿电压，是反向击穿电压的 1/ 2或或 2/3 。 选用晶体二极管时，还要以最大反向工作电压为准选用晶体二极管时，还要以最大反向工作电压为准,并留有适并留有适当余地，以保证二极管不致损坏。例如当余地，以保证二极管不致损坏。例如:2AP21型二极管的反型二极管的反向击穿电压向击穿电压

17、15V，最大反向工作电压小于，最大反向工作电压小于10V ；2AP26 型二型二极管的反向击穿电压为极管的反向击穿电压为150V ，最大反向工作电压小于，最大反向工作电压小于100V。3 3最大反向电流最大反向电流I IRMRM 它是指二极管上加工作峰值电压时的它是指二极管上加工作峰值电压时的反向电流值反向电流值。IRM值越小，值越小，二极管的单向导电性越好。硅管的反向电流较小，在几微安以二极管的单向导电性越好。硅管的反向电流较小，在几微安以下。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。下。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。7.2 二极管应用二极管应用一、整流一、整流整流电路是将交流电

18、压变换成直流电路，整流电路分为单相半整流电路是将交流电压变换成直流电路，整流电路分为单相半波整流电路、单相全波电路、三相全波整流电路。波整流电路、单相全波电路、三相全波整流电路。1.单相半波整流电路单相半波整流电路）（t0tsinU2u20负载电阻上得到的整流电压负载电阻上得到的整流电压U0是大小变化的单向脉动直流电压，是大小变化的单向脉动直流电压，U0的大小常用一个周期的平均值来表示，单相半波整流电压的的大小常用一个周期的平均值来表示，单相半波整流电压的平均值为平均值为2202000.45UU2UttdsinU221U）（流过二极管的平均电流为流过二极管的平均电流为L2L00R0.45URU

19、I2RmaxU2U因此：单相半波整流电路的特点是因此：单相半波整流电路的特点是结构简单，但输出电压的平结构简单，但输出电压的平均值低、脉动大均值低、脉动大,电路损失大电路损失大。 2.单相桥式全波整流电路单相桥式全波整流电路 桥式整流电路的整流电压平均值桥式整流电路的整流电压平均值0U比半波整流时增加一倍比半波整流时增加一倍 即：即： 2200.9U0.45U2UL0L00RU0.9RUIL00DRU0.45I21i2RmaxU2U由以上分析可知，单相桥式整流电路，在变压器二次侧电压相由以上分析可知，单相桥式整流电路，在变压器二次侧电压相同的情况下，同的情况下，输出电压平均值高、脉动小，管子承

20、受的反向电输出电压平均值高、脉动小，管子承受的反向电压和半波整流电路一样压和半波整流电路一样。虽然二极管用了四只，但小功率二极。虽然二极管用了四只，但小功率二极管体积小，价格低廉，因此全波桥式整流电路得到了广泛的应管体积小，价格低廉，因此全波桥式整流电路得到了广泛的应用。用。3.三相桥式整流电路三相桥式整流电路负载负载R RL L上电压上电压U U0 0与三相变压器副绕组相电压有效值与三相变压器副绕组相电压有效值U U2 2202.34UU 整流电流平均值整流电流平均值L2L00RU2.34RUI由于每个二极管在一个周期内连续导通由于每个二极管在一个周期内连续导通1/ 3周期，故通过二极周期，

21、故通过二极管的电流平均值管的电流平均值ID。是。是L2DRU0.78Io31I各个二极管所承受的最大反向电压各个二极管所承受的最大反向电压 UDRM 是变压器次极线电是变压器次极线电压的最大值，即压的最大值，即 22DRM2.45UU32U二、滤波电路二、滤波电路 整流电路输出的单向脉动电压含有交流分量，不能适应各种整流电路输出的单向脉动电压含有交流分量，不能适应各种要求直流电压平稳的电子设备、电气装置正常工作的需要。解要求直流电压平稳的电子设备、电气装置正常工作的需要。解决办法是在整流电路之后再加接滤波电路，以改善直流电压的决办法是在整流电路之后再加接滤波电路，以改善直流电压的脉程度。脉程度

22、。根据电容有隔直通交的作用，而电感则有直流电阻很小，交根据电容有隔直通交的作用，而电感则有直流电阻很小，交流电阻大的特点。将电容、电感和电阻适当的组合起来，便流电阻大的特点。将电容、电感和电阻适当的组合起来，便可得到各种形式的滤波电路。可得到各种形式的滤波电路。1. 电容滤波电路电容滤波电路特点特点 电路简单。电路简单。整流输出电压的波形比较平直。整流输出电压的波形比较平直。输出平均电压输出平均电压U U0 0较高，且随负载较高，且随负载R RL L的大小而变化。的大小而变化。 输出平均电压：输出平均电压：U0=U2 （半波整流）（半波整流） U01.2U2 （全波整流）（全波整流） 2.电感

23、滤波电路电感滤波电路 电感滤波的作用是：当负载电流变化时，电感线圈中将产生自电感滤波的作用是：当负载电流变化时，电感线圈中将产生自感电动势，它将阻止电流的变化，同时进行磁场能量的存贮与感电动势，它将阻止电流的变化，同时进行磁场能量的存贮与释放，使输出电压和电流的脉动程度减小，波形较平直。释放，使输出电压和电流的脉动程度减小，波形较平直。 U U0 0=0.9U=0.9U2 2 L2L00RU0.9RUI电感线圈的电感电感线圈的电感L为几亨到几十亨，一般说来为几亨到几十亨，一般说来L越大，滤波效越大，滤波效果越好。但果越好。但L越大，线圈的体积及重量均增加，而且也不经济。越大，线圈的体积及重量均

24、增加，而且也不经济。电感滤波适用于负载电流较大，其变化也较大但对输出电压脉电感滤波适用于负载电流较大，其变化也较大但对输出电压脉动程度要求不太高的场合，例如可控硅电路。动程度要求不太高的场合，例如可控硅电路。3.复式兀形滤波电路复式兀形滤波电路此电路由两只电容此电路由两只电容C Cl l和和C C2 2及电感及电感 L L 组成。组成。C Cl l 先对整流输出电压先对整流输出电压进行电容滤波，进行电容滤波，C C2 2与负载电阻与负载电阻R RL L并联，再与并联，再与L L串联。电感线圈串联。电感线圈L L对输出电压的交流分量有较大的感抗，而电容对输出电压的交流分量有较大的感抗，而电容C

25、C2 2对交流分量的对交流分量的容抗很小，具有较强的旁路分流作用，从而可使负载容抗很小，具有较强的旁路分流作用，从而可使负载R RL L上的交上的交流分量很小，输出电压的平直程度大大增加。流分量很小，输出电压的平直程度大大增加。 电阻对于交、直流电流都具有同样的降压作用，但是当它与电容电阻对于交、直流电流都具有同样的降压作用，但是当它与电容C C2 2配合之后，可以使经配合之后，可以使经 C Cl l 滤波后的整流电压中残存的交流分量较多滤波后的整流电压中残存的交流分量较多地降落在电阻地降落在电阻R R的两端，而较少地分配到电容的两端，而较少地分配到电容C C2 2上（因上（因 C C2 2的交流阻的交流阻抗很小）。从而使负载抗很小）。从而使负载 R RL L两端的输出电压更为平直，起到更好的两端的输出电压更为平直，起到更好的滤波作用。滤波作用。R R和和C C2 2愈大，滤波效果愈好。但愈大，滤波效果愈好。但R R太大，将使太大，将使R R上的直流上的直流压降增加，且电阻要发热，消耗电功率，故应选择压降增加，且电阻要发热，消耗电功率，故应选择 R RR RL L ，通常使，通常使 R R上的直流电压降上的直流电压降U UR R=I=I0 0R=R=（0.10.10.2 0.2 ）U U0 0 ，R R取值为几十到