单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第9章 半导体二极管及其应用,第9章 半导体二极管及其应用,9.1半导体二极管,9.2稳压二极管,9.3特殊二极管简介,第9章 半导体二极管及其应用9.1半导体二极管,1,9.1 半导体二极管,1.半导体二极管的结构和符号,半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗等。纯净的半导体又称为本征半导体，其原子排列整齐有序，呈晶体结构。半导体材料有几个重要性质，如热敏特性、光敏特性和掺杂特性。掺杂特性是指在半导体中掺入微量元素后，其导电能力大为提高,且在本征半导体中掺入不同的微量元素后,就会得到不同性质的半导体材料。例如,在本征半导体硅中掺入微量磷元素，就会形成电子型半导体,又称为N型半导体；掺入微量硼元素，就会形成空穴型半导体,又称为P型半导体。把N型半导体和P型半导体结合在一起，其界面处就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。将PN结装上电极引线和管壳，就是半导体二极管，又称晶体二极管，简称二极管，其结构和符号如图9.1所示。,9.1 半导体二极管1.半导体二极管,2,图9.1 二极管的结构和符号,(a)结构示意图；(b)符号,图9.1 二极管的结构和符号,3,2.半导体二极管的单向导电性,二极管最为重要的特性是其单向导电性，即加正向电压(也叫正偏电压)导通，如图 9.2(a)所示，二极管的阳极接电源正极，阴极接电源负极，此时灯亮；加反向电压(也叫反偏电压)截止，如图9.2(b)所示，二极管的阴极接电源正极，阳极接电源负极，此时灯不亮。,2.半导体二极管的单向导电性二极管最为重要的特性,4,图9.2 二极管的单向导电性,(a)正偏导通；(b)反偏截止,图9.2 二极管的单向导电性,5,3.半导体二极管的伏安特性,二极管的伏安特性是指二极管通过的电流与其端电压之间的关系，如图9.3所示。,图9.3 硅二极管的伏安特性,3.半导体二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指二,6,4.半导体二极管的主要参数,(1)最大整流电流,I,F,。它是二极管允许长期通过的最大正向平均电流。有些,I,F,较大的二极管必须按规定加装散热片，否则可能因过热而烧坏。(2)最高反向工作电压,U,RM,。它是二极管工作时允许承受的最大反向工作电压，实际使用时其反向工作电压不要超过,U,RM,，以免造成二极管反向击穿而损坏。(3)最高工作频率,f,M,。超过,f,M,，二极管将失去单向导电性。此外，还有反向电流、正向电压等参数。,4.半导体二极管的主要参数(1)最大整流电流I,7,5.二极管的应用,利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅等功能。1)二极管整流电路二极管最基本的应用是整流，即把交流电转换成脉动的直流电。图9.4(a)所示为二极管半波整流电路。若忽略二极管的死区电压和反向饱和电流，则可把二极管看成理想二极管，即把二极管作为一个开关，当输入电压为正半周时，二极管导通(相当于开关闭合)，,u,o,=,u,i,；当输入电压为负半周时，二极管截止(相当于开关打开)，,u,o,=0。其输入、输出电压波形如图9.4(b)所示。,5.二极管的应用 利用二极管的单向导电性，可实,8,图9.4 二极管半波整流电路,(a)电路；(b)输入、输出电压波形,图9.4 二极管半波整流电路,9,2)二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化加以限制的电路，常用于波形变换和整形，如图9.5(a)所示。设,u,i,=5 sin,tV,，,E,=2 V，V,D,为理想二极管。当,u,i,E,时，二极管导通，,u,o,=,E,=2 V；当,u,i,E,时，二极管截止，电阻R中没有电流，,u,o,=,u,i,。输入、输出电压波形如图9.5(b)所示，显然该电路把输出电压的正峰值限制为2 V。,2)二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一,10,图9.5 二极管限幅电路,(a)电路；(b)输入、输出电压波形,图9.5 二极管限幅电路,11,9.2 稳 压 二 极 管,1.稳压二极管的伏安特性,稳压二极管实际上也是一种面接触型硅二极管，简称稳压管，其伏安特性及符号如图9.6所示。从图中可看出，稳压管的伏安特性与普通二极管相似，但稳压管工作在反向击穿状态，即对应于特性曲线的AB段，称为击穿区。稳压管中的PN结经过了特殊处理，即使长时间工作在击穿区也不会损坏，一旦除去外加反向电压，PN结仍能恢复原状。特性曲线AB段的特征是：当电流有较大变化时,稳压管两端的电压变化却很小,这一特性可用于稳压。,9.2 稳 压 二 极 管1.稳压二,12,图9.6 稳压二极管的伏安特性及符号,(a)伏安特性；(b)符号,图9.6 稳压二极管的伏安特性及符号,13,2.稳压管的主要参数,(1)稳定电压,U,Z,。,U,Z,指稳压管正常工作时(反向击穿状态)管子的端电压，一般为3 V25 V，高的可达200 V。(2)稳定电流,I,Z,和,I,Zmax,。,I,Z,指稳压管正常工作时的电流，,I,Zmax,指稳压管允许通过的最大反向电流。(3)额定功耗,P,Z,。,P,Z,指保证稳压管安全工作所允许的最大功率损耗，且,P,Z,=,U,Z,I,Zmax,2.稳压管的主要参数(1)稳定电压UZ。UZ指,14,图9.7 稳压管稳压电路,图9.7 稳压管稳压电路,15,3.稳压管的应用,稳压管主要用于构成稳压电路，如图9.7所示。1)工作原理稳压电路的稳压原理如下：当交流电源电压升高，引起稳压电路的输入电压,U,i,增大时，输出电压(即稳压管上的电压),U,o,增加，这时稳压管的电流增加，使得电阻R上的电流增大，电阻R上的电压也增大，电阻R上的电压增量基本抵消了,U,i,的增量，所以输出电压,U,o,基本上可以保持不变，反之亦然。,3.稳压管的应用稳压管主要用于构成稳压电路，如图,16,2)电路元件的选择(1)稳压管的选择：稳压管,I,Z,必须满足,I,Z,I,Zmax,，稳压管的稳压值,U,Z,应等于负载所需电压,U,o,(稳压管的稳定电压和稳定电流值可查晶体管手册)。多个稳压二极管也可串联使用，以获得较高的,U,o,值，但要注意稳压管不能并联使用。(2)限流电阻,R,的选择：若,R,的阻值太大，将造成稳压管不能击穿而失去稳压作用；若,R,的阻值太小，则当负载较轻时(负载电阻,R,L,较大)，可能会烧毁稳压管。选择,R,的阻值有两个原则：当,U,i,最大而,I,L,最小时，,R,应满足,U,imax,U,o,+,R,(,I,Zmax,+,I,Lmin,)；而当,U,i,最小而,I,L,最大时，,R,应满足,U,imax,U,o,+,R,(,I,Zmax,+,I,Lmin,)。,2)电路元件的选择(1)稳压管的选择：稳压管I,17,9.3 特殊二极管简介,1.发光二极管(LED),发光二极管是一种能将电能转换成光能的特殊二极管，它的符号如图9.8所示。发光二极管的基本结构是一个PN结，通常是用元素周期表中、族元素的化合物如砷化镓、磷化镓等制成的。它的特性曲线和普通二极管相似，但正向导通电压一般为1 V2 V。当对管子施加正向电压时，会发出一定波长的可见光，光谱范围比较窄，其波长由所用材料决定。波长不同，所发光的颜色也不同，常见的LED有红、绿、黄等颜色。发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式发光二极管，工作电流一般在几毫安至十几毫安之间。,9.3 特殊二极管简介1.发光二极管,18,图9.8 发光二极管的符号,图9.8 发光二极管的符号,19,2.光电二极管,光电二极管在管壳上有一个玻璃窗口以便于接受光照，它的反向电流随着光照强度的增加而上升。图9.9是光电二极管的符号。其主要特点是反向电流与光照度成正比。光电二极管可应用于光的测量。当制成大面积的光电二极管时，光电二极管可作为一种能源使用，称为光电池。,2.光电二极管光电二极管在管壳上有一个玻璃窗口以,20,图9.9 光电二极管的符号,图9.9 光电二极管的符号,21,2.光电二极管,光电二极管在管壳上有一个玻璃窗口以便于接受光照，它的反向电流随着光照强度的增加而上升。图9.9是光电二极管的符号。其主要特点是反向电流与光照度成正比。光电二极管可应用于光的测量。当制成大面积的光电二极管时，光电二极管可作为一种能源使用，称为光电池。,2.光电二极管光电二极管在管壳上有一个玻璃窗口以,22,3.变容二极管,二极管存在着PN结电容，结电容的大小除了与二极管的结构和工艺有关外，还随反向电压的增加而减小，利用这种特性可制成变容二极管。图9.10所示为变容二极管的符号。不同型号的管子，其电容的最大值为5 pF300 pF。变容二极管的最大电容与最小电容之比约为51。变容二极管在高频技术中应用较多。,3.变容二极管二极管存在着PN结电容，结电容的大,23,图9.10 变容二极管的符号,图9.10 变容二极管的符号,24,