半导体二极管及其应用课件

半導體二極體及其應用

學會用工程觀點分析問題，就是根據實際情況，對器件的數學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、採用合理估算的方法。

對於元器件，重點放在特性、參數、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內部機理。討論器件的目的在於應用。1.1PN結及其單向導電性1.半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純淨的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極體、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環境溫度升高時，導電能力顯著增強1.1.1

本征半導體

完全純淨的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式矽單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）後，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現象稱為本征激發。空穴

溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現一個空穴，其結果相當於空穴的運動（相當於正電荷的移動）。本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動

電子電流

(2)價電子遞補空穴

空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷複合。在一定溫度下，載流子的產生和複合達到動態平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。1.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜後自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多餘電子磷原子在常溫下即可變為自由電子失去一個電子變為正離子

在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。動畫1.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜後空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。B–硼原子接受一個電子變為負離子空穴動畫無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。

1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。2.在雜質半導體中少子的數量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。3.當溫度升高時，少子的數量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba1.1.3PN結的形成載流子的兩種運動——擴散運動和漂移運動擴散運動：電中性的半導體中，載流子從濃度高的區域向濃度較低區域的運動。漂移運動：在電場作用下，載流子有規則的定向運動。PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體

內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。

擴散的結果使空間電荷區變寬。空間電荷區也稱PN結

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區1.1.4PN結的單向導電性1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處於導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動畫–+PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由於少子數量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。動畫–+PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處於截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－二極體的單向導電性1.二極體加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極體處於正嚮導通狀態，二極體正向電阻較小，正向電流較大。2.二極體加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極體處於反向截止狀態，二極體反向電阻較大，反向電流很小。3.外加電壓大於反向擊穿電壓二極體被擊穿，失去單向導電性。4.二極體的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。1.2

半導體二極體1.2.1基本結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用於檢波和變頻等高頻電路。

結面積大、正向電流大、結電容大，用於工頻大電流整流電路。(c)平面型

用於積體電路製作工藝中。PN結結面積可大可小，用於高頻整流和開關電路中。陰極引線陽極引線二氧化矽保護層P型矽N型矽(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型矽陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型圖1–12半導體二極體的結構和符號二極體的結構示意圖陰極陽極(

d

)

符號D1.2.2伏安特性矽管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大於死區電壓二極體才能導通。

外加電壓大於反向擊穿電壓二極體被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性矽0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓範圍內保持常數。1.2.3主要參數1.

最大整流電流

IOM二極體長期使用時，允許流過二極體的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極體不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極體反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極體擊穿後單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極體加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。矽管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為矽管的幾十到幾百倍。1.2.4二極體的應用(二極體電路分析舉例)定性分析：判斷二極體的工作狀態導通截止否則，正向管壓降矽0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極體斷開，分析二極體兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極體導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極體截止

若二極體是理想的，正嚮導通時正向管壓降為零，反向截止時二極體相當於斷開。電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極體導通若忽略管壓降，二極體可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低於－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極體，分析二極體陽極和陰極的電位。

在這裏，二極體起鉗位作用。

D6V12V3k

BAUAB+–兩個二極體的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極體，分析二極體陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=

－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極體可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這裏，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。

BD16V12V3k

AD2UAB+–ui>8V，二極體導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極體截止，可看作開路uo=ui已知：二極體是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極體的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極體陰極電位為8VD8VRuoui++––動畫1.4穩壓管及穩壓管穩壓電路

1.4.1穩壓管1.符號UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性

穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻

穩壓管反向擊穿後，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩壓管在電路中可起穩壓作用。_+UIO3.主要參數(1)穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度係數

ｕ環境溫度每變化1

C引起穩壓值變化的百分數。(3)動態電阻(4)穩定電流IZ、最大穩定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。1.3整流電路及路濾電路

小功率直流穩壓電源的組成直流穩壓電源的原理方框圖功能：把交流電壓變成穩定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩壓1.3.1

整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉變為脈動的直流電壓。

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。分析時可把二極體當作理想元件處理：

二極體的正嚮導通電阻為零，反向電阻為無窮大。整流原理：

利用二極體的單向導電性uDO1單相半波整流電路2)工作原理u正半周，Va>Vb，二極體D導通；3)工作波形

u負半周，Va<Vb，二極體D截止。1)電路結構

–++–aTrDuoubRLio動畫u

tOuoO4)參數計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓

UDRM(5)變壓器副邊電流有效值I5)整流二極體的選擇

平均電流ID與最高反向電壓UDRM

是選擇整流二極體的主要依據。選管時應滿足：

IOM

ID

，URWM

UDRM

2.單相橋式整流電路2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二極體

D1、D3導通，D2、D4截止。3)工作波形uD2uD41)電路結構

－uouDttRLuiouo1234ab+–+–

－動畫u

4)參數計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平值Io(負載電流的平均值)(3)流過每管電流平均值IDID=IO/2=0.45U2/

RL(4)每管承受的最高反向電壓

UDRM(5)變壓器副邊電流有效值I

I2=U2/

RL=IO/0.9=1.11

IOIO=UO/

RL=0.9U2/

RL例1：單相橋式整流電路，已知交流電網電壓為220V，負載電阻RL=50

，負載電壓Uo=110V，試求變壓器的變比和容量，並選擇二極體。

I=1.11Io=21.11=2.2A

變壓器副邊電流有效值變壓器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA變壓器副邊電壓U

122V

可選用二極體2CZ11C，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。例2：

試分析圖示橋式整流電路中的二極體D2

或D4

斷開時負載電壓的波形。如果D2

或D4接反，後果如何？如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路，後果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：當D2或D4斷開後電路為單相半波整流電路。正半周時，D1和D3導通，負載中有電流過，負載電壓uo=u；負半周時，D1和D3截止，負載中無電流通過，負載兩端無電壓，uo

=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反則正半周時，二極體D1、D4或D2、D3導通，電流經D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。

如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時，情況與D2或D4接反類似，電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞。uo+_~u+_RLD2D4D1D31.3.2濾波器

交流電壓經整流電路整流後輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。

濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。方法：將電容與負載RL並聯(或將電感與負載RL串聯)。

1.電容濾波器

1)電路結構2)工作原理

u>uC時，二極體導通，電源在給負載RL供電的同時也給電容充電，uC

增加，uo=uC

。

u<uC時，二極體截止，電容通過負載RL

放電，uC按指數規律下降，uo=uC

。+Cici

–++–aDuoubRLio=uC

3)工作波形二極體承受的最高反向電壓為。動畫uoutOtO4)電容濾波電路的特點(T—電源電壓的週期)(1)輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時間常數RLC有關。

RLC

越大

電容器放電越慢

輸出電壓的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

橋式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）當負載RL開路時，UO

為了得到比較平直的輸出電壓(2)外特性曲線有電容濾波1.4U

無電容濾波0.45UUooIO

結論

採用電容濾波時，輸出電壓受負載變化影響較大，即帶負載能力較差。因此電容濾波適合於要求輸出電壓較高、負載電流較小且負載變化較小的場合。(3)流過二極體的暫態電流很大選管時一般取：

IOM=2ID

RLC

越大

ＵO

越高，IO

越大

整流二極體導通時間越短

iD

的峰值電流越大。iDtuotOO例：

有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=200

，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極體及濾波電容器。流過二極體的電流二極體承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值uRLuo++––~+C解：1.選擇整流二極體可選用二極體2CP11IOM=100mAUDRM=50V

例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=200

，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極體及濾波電容器。取RLC=5

T/2已知RL=50

uRLuo++––~+C解：2.選擇濾波電容器可選用C=250

F，耐壓為50V的極性電容器2.電感電容濾波器1)電路結構L

uRLuo++––~+C2)濾波原理

對直流分量:XL=0，L相當於短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:f

越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負載上得到比較平滑的直流電壓。

當流過電感的電流發生變化時，線圈中產生自感電勢阻礙電流的變化,使負載電流和電壓的脈動減小。

LC濾波適合於電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，用於高頻時更為合適。3.

形濾波器

形LC濾波器

濾波效果比LC濾波器更好，但二極體的衝擊電流較大。

比

形LC濾波器的體積小、成本低。LuRLuo++––~+C2+C1

形RC濾波器RuRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R大將使直流壓降增加，主要適用於負載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。N1N3C20.047

FD2D3D4D12CZ12A×4N2FU23A2000

F/50V+C