第一章半导体二极管及其应用.ppt

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1、半导体二极管及其应用,第一章,半导体二极管及其应用,1.1 PN结与二极管 1.2 整流与滤波电路,半导体二极管及其应用,1.1 PN结与二极管1.1.1 半导体及PN结 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的特殊物质，常用材料有锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）等。这些材料在现代科学技术中扮演了极为重要的角色。,半导体二极管及其应用,1.1.1.1 半导体的性质 半导体的导电能力具有一些独特的性能。主要表现为如下三个方面：第一是杂敏性，半导体对掺入杂质很敏感。在半导体硅中只要掺入亿分之一的硼（B），电阻率就会下降到原来的数万分之一。因此用控制掺杂浓度的方法，可人为地控制半导体的导电能

2、力，制造出各种不同性能、不同用途的半导体器件。,半导体二极管及其应用,第二是热敏性，半导体对温度变化很敏感。温度每升高10，半导体的电阻率减小为原来的二分之一。这种特性对半导体器件的工作性能有许多不利的影响，但利用这一特性可制成自动控制系统中常用的热敏电阻，热敏电阻可以感知万分之一摄氏度的温度变化。第三是光敏性，半导体对光照很敏感。半导体受光照射时，它的电阻率显著减小。例如，半导体材料硫化铬（CdS），在一般灯光照射下，它的电阻率是移去灯光后的数十分之一或数百分之一。自动控制中用的光电二极管、光电三极管和光敏电阻等，就是利用这一特性制成的。,半导体二极管及其应用,1.1.1.2 本征半导体 完

3、全纯净的半导体叫本征半导体，又称为纯净半导体。半导体中的原子是按照一定的规律、整齐地排列着，呈晶体结构（如图1-1所示），所以半导体管又称为晶体管。常用的半导体材料是硅和锗。它们的简化原子模型如图1-2所示。,图1-1 硅或锗晶体的共价健结构示意图,图1-2 硅和锗的原子结构简化模型,半导体二极管及其应用,在室温下，价电子获得足够的能量可挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种现象称为本征激发。这时，共价键中就留下一个空位，这个空位叫空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。在半导体中，有两种载流子，即空穴和自由电子。在本征半导体中，它们总是成对出现的。利用杂敏的特性，可以在本征半导体中掺

4、入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。,半导体二极管及其应用,1.1.1.3 掺杂半导体 根据掺入杂质性质的不同，掺杂半导体可分为空穴（P）型半导体和电子（N）型半导体两大类。P型半导体是在硅（或锗）的晶体内掺入少量的三价元素形成的，如硼（或铟）等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少一个电子，在晶体中便多产生了一个空穴。控制掺入杂质的多少，便可控制空穴数量。这样，空穴数就远大于自由电子数，在这种半导体中，以空穴导电为主，因而空穴为多数载流子，简称多子；自由电子为少数载流子，简称少子。N型半导体是在纯净的半导体中掺入五价元素（如磷、砷和锑等）形成的。使其内部多

5、出了自由电子，自由电子就成为多数载流子，空穴为少数载流子。,半导体二极管及其应用,1.1.1.4 PN结及其特性 如果在一块纯净半导体（如硅和锗等）中，通过特殊的工艺，在它的一边掺入微量的三价元素硼形成P型半导体，在它的另一边掺入微量的五价元素磷，形成N型半导体。这样在P型半导体和N型半导体的交界面上就形成了一个具有特殊电性能的薄层PN结。PN结具有单向导电的性能。这是因为在交介面两侧存在着电子和空穴浓度差，N区的电子要向P区扩散（同样P区的空穴也向N区扩散，这叫扩散运动），并与P区的空穴复合，如图1-3（a）所示。在交介面两侧产生了数量相同的正负离子，形成了方向由N到P的内电场。如图1-3（

6、b）所示。,半导体二极管及其应用,这个内电场对扩散运动起阻止作用，同时内电场又对两侧的少子起推进作用，使其越过PN结，称为漂移运动。显然扩散与漂移形成的电流方向是相反的，最终扩散运动与漂移运动会达到动态平衡。这样就形成了有一定厚度的PN结。,图1-3 半导体的PN结的形成,半导体二极管及其应用,如图1-4所示，给PN结外加上正向电压时，由于内电场被削弱，则形成较大的扩散电流，呈现较小的正向电阻，相当于导通。若加上反向电压，则内电场加强，只形成极其微弱的漂移电流（因为少子的数量是极少的），相当于截止。这就是PN结的单向导电性能。,图1-4 PN结的单向导电性,半导体二极管及其应用,1.1.2 P

7、N结与二极管 大自然的物质类别是极其丰富的。单从导电能力上分，有导体、绝缘体和半导体。常见的导体有金、银、铜、铁、铝等金属类。常见的绝缘体有胶木、橡胶、陶瓷等。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的特殊物质，常用材料有锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）等。这些材料在现代科学技术中扮演了极为重要的角色。,半导体二极管及其应用,1.1.2.1 二极管 在PN结上引出两个电极并加上管壳就形成了半导体二极管，其外形和符号如图1-5所示。二极管的正极也叫阳极，用字母a表示，另一边是负极也叫阴极，用字母k表示。正极与P区相连，负极与N区相连。二极管的极性通常标示在它的封装上，有些二极管用黑色或白色

8、色环表示它的负极端。,半导体二极管及其应用,1.1.2.1 二极管的类型 根据所用的半导体材料不同，可分为锗二极管和硅二极管。按照管芯结构不同，可分为点接触型、面接触型和平面型。,点接触型的半导体接触面很小，只允许通过较小的电流（几十毫安以下），但在高频下工作性能很好，适用于收音机中对高频信号的检波和微弱交流电的整流，如国产的锗二极管2AP系列、2AK系列等。,图1-5 二极管的外形及电路符号,半导体二极管及其应用,面接触型二极管PN结面积较大，并做成平面状，它可以通过较大了电流，适用于对电网的交流电进行整流。如国产的2CP系列、2CZ系列的二极管都是面接触型的。平面型的特点是在PN结表面被覆

9、一层二氧化硅薄膜，避免PN结表面被水分子、气体分子以及其他离子等沾污。这种二极管的特性比较稳定可靠，多用于开关、脉冲及超高频电路中。国产2CK系列二极管就属于这种类型。根据二极管用途不同，可分为整流二极管、稳压二极管、开关二极管、光电二极管及发光二极管等。,半导体二极管及其应用,1.1.2.2 二极管的伏安特性 图1-6中的（a）图和（b）图分别是硅二极管和锗二极管的两端电压与其内部的电流的关系曲线，叫伏安特性曲线图中纵轴的右侧称为正向特性，左侧称为反向特性。,图1-6二极管的伏安特性曲线,半导体二极管及其应用,（1）正向特性 正向连接时，二极管的正极接电路的高电位端，负极接低电位端。当二极管

10、两端的正向电压很小的时候，正向电流微弱，二极管呈现很大的电阻，这个区域成为二极管正向特性的“死区”，只有当正向电压达到一定数值（这个数值称为导通电压，硅管0.60.7V，锗管0.20.3V）以后，二极管才真正导通。此时，我们可以近似地认为它是恒定的，且不随电流的变化而变化。实际上正向电流将随着正向电压的增加而急速增大，如不采取限流措施，过大的电流会使PN结发热，超过最高允许温度（锗管为90100，硅管为125200）时，二极管就会被烧坏。,半导体二极管及其应用,（2）反向特性 二极管反向连接时处于截止状态，仍然会有微弱的反向电流（锗二极管不超过几微安，硅二极管不超过几十纳安），它和温度有极为密

11、切的关系，温度每升高10，反向电流约增大一倍。反向电流是衡量二极管质量好坏的重要参数之一反向电流太大，二极管的单向导电性能和温度稳定性就差，选择和使用二极管时必须特别注意。当加在二极管两端的反向电压增加到某一数值时，反向电流会急剧增大，这种状态称为击穿。对普通二极管而言称为雪崩击穿，意味着二极管丧失了单向导电特性而损坏了。,半导体二极管及其应用,1.1.2.3 主要参数 器件的参数是用以说明器件特性的数据，它是根据使用要求提出的。二极管的主要参数及其意义如下：（1）最大整流电流IF 指长期运行时晶体二极管允许通过的最大正向平均电流。（2）最大反向工作电压URM 指正常工作时，二极管所能承受的反

12、向电压的最大值。（3）反向击穿电压UBR 指反向电流明显增大，超过某规定值时的反向电压。（4）最高工作频率fM 是由PN结的结电容大小决定的参数。当工作频率f超过fM时，结电容的容抗减小到可以和反向交流电阻相比拟时，二极管将逐渐失去它的单向导电性。,半导体二极管及其应用,1.1.3 其它类型的二极管 1.1.3.1稳压二极管 稳压二极管是用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管。符号如图1-7（a）所示，它主要工作在反向击穿区，而它的击穿具有非破坏性，称为齐纳击穿，当外加电压撤除后，PN结的特性可以恢复。稳压管在直流稳压电源中获得广泛的应用，它的伏-安特性曲线如图1-7（b）所示。它常应用在直流

13、稳压电源中。,半导体二极管及其应用,图1-7稳压管的电路符号及伏安特性,半导体二极管及其应用,1.1.3.2 光电二极管 光电二极管的PN结可以接收外部的光照。PN结工作在反向偏置状态下，其反向电流随光照强度的增加而上升。图1-8（a）是光电二极管的代表符号，图（b）是它的等效电路，而图（c）则是它的特性曲线。其主要特点是，它的反向电流与照度成正比，灵敏度的典型值为0.1A/lx数量级（lx即勒克斯，为照度的单位）。光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。在自动控制和检测系统中应用广泛。,半导体二极管及其应用,图1-8 光电二极管,半导体二极管及其应用,1.1.3.3

14、发光二极管 发光二极管在加上正向电压时会发出可见光，它的PN结通常用元素周期表中、族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等制成。这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。图1-9表示发光二极管的电路符号。它常做成红、黄、蓝等颜色的指示灯，作为显示器件使用，工作电流一般为几个毫安至十几毫安之间。,发光二极管的另一重要用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。,图1-9 发光二极管符号,半导体二极管及其应用,1.1.3.4 半导体器件型号命名方法 半导体器件的型号由五部分组成（如图1-10所示）。第一部分用数字表示半导体管的电极数目,第二部分用字母表示半导体器件的材料

15、和极性，第三部分用字母表示半导体管的类别,第四部分用数字表示半导体器件的序号,第五部分用字母表示区别代号。一些特殊器件的型号只有第三、四、五部分而没有第一二部分。,半导体二极管及其应用,如2AP9表示N型锗材料普通二极管；2CK84表示N型硅材料开关二极管。部分二极管的型号和参数如表1-1至1-4。更详细的内容可查阅有关电子元器件手册。,图1-10 半导体器件的命名方法,半导体二极管及其应用,表1-1 半导体器件型号命名方法,半导体二极管及其应用,表1-2 2AP17检波二极管（点接触型锗管，在电子设备中作检波和小电流整流用）,半导体二极管及其应用,表1-3 2CZ5257系列整流二极管，用于

16、电子设备的整流电路中。,半导体二极管及其应用,表1-4 硅稳压二极管,半导体二极管及其应用,表1-4 硅稳压二极管(续）,半导体二极管及其应用,1.2 整流与滤波电路 各种电子电路和设备都需要有直流电源提供能量，而日常所用的电源一般都是工频交流电源，这就需要应用电子电路将其转换为直流电源。这个过程由四部分电路完成，如图1-11所示。,图1-11 直流电源的组成框图,半导体二极管及其应用,图中电源变压器的任务是将交流电的幅度变换为直流电源所需要的幅度；整流电路的任务是将双向变化的交流电变成单向的脉动直流电；滤波电路的任务是滤除脉动直流电中的交流成份，保留直流成份；稳压电路的任务是使输出电压的幅度

17、保持稳定。由于变压器的结构和原理已在电工知识中讲过，所以本节从整流电路讲起。,半导体二极管及其应用,1.2.1 单相半波整流 利用二极管的单向导电性，可以把双向变化的交流电转换为单向的直流电，称为整流。图1-12是单相半波整流电路图。,图1-12 二极管单相半波整流电路,半导体二极管及其应用,图中ui为交流电压，其幅度一般较大，为几伏以上。其输入输出波形分别为如图1-13所示。在交流ui的正半周，二极管VD正向导通，其导通电压可以忽略不计，则uo等于ui，在ui的负半周，VD反向截止，则uo等于0，从图1-12看出，交流输入电压只有一半通过整流电路，所以这种整流称为半波整流。,0,0,t,t,

18、ui,图1-13 半波整流电路的波形图,半导体二极管及其应用,整流的过程只是把双向交流电变为输出电压平均值UO的计算，正弦交流电的平均电压值为0，所以用有效值来描述，经过半波整流后的单向脉动电压则可以用平均值来描述，可利用高等数学中积分的方法来求得UO的平均值。即：,可得出：,流过负载RL上的直流电流为:,半导体二极管及其应用,整流二极管的选择：在图1-12中明显看出，二极管反向时承受的最高电压是ui的峰值电压，承受的平均电流等于IO。实际选用二极管时，还要将这两个值乘以（1.52）倍的安全系数,再查阅电子元器件手册选取合适的二极管。,半导体二极管及其应用,1.2.2 单相桥式整流电路 图1-

19、14为单相桥式整流电路。由图可见，四个二极管VD1、VD2、VD3、VD4构成电桥的桥臂，在四个顶点中，不同极性点接在一起与变压器次级绕组相连，同极性点接在一起与直流负载相连。,(a)原理电路,(b)简化画法,(c)另一种画法,图1-14 单相桥式整流电路,半导体二极管及其应用,1.2.2.1 工作原理 设电源变压器次级电压，其波形如图1-15。,在u2正半周，A端电压极性为正，B端为负。二极管VD1、VD3正偏导通，VD2、VD4反偏截止，电流通路为AVD1RLVD3B，负载RL上电流方向自上而下；在u2负半周，A端为负，B端为正，二极管VD2、VD4正偏导通，VD1、VD3反偏截止，电流通

20、路是BVD4RLVD2A。同样，RL上电流方向自上而下。,图1-15单相桥式整流波形图,半导体二极管及其应用,由此可见，在交流电压的正负半周，都有同一个方向的电流通过RL从而达到整流的目的。四个二极管中，两个一组轮流导通，在负载上得全波脉动的直流电压和电流，如图1-15(b)、(c)。所以桥式整流电路称为全波整流电路。1.2.2.2负载上的电压与电流计算 由于单相桥式整流输出波形刚好是两个半波整流的波形，所以有 UO0.9U2,流过负载RL的电流,半导体二极管及其应用,1.2.2.3 整流二极管的选择 桥式整流中，每只二极管只有半周是导通的，流过二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：,二极管

21、最大反向电压，按其截止时所承受的反向峰压：,为了方便地使用整流电路，利用集成技术，将硅整流器件按某种整流方式封装制成硅整流堆，习惯上称为硅堆。,半导体二极管及其应用,1.2.3 滤波电路 经过整流得到的单向脉动直流电，包含多种频率的交流成份。为了滤除或抑制交流分量以获得平滑的直流电压，必须设置滤波电路。滤波电路直接接在整流电路后面，一般由电容、电感以及电阻等元件组成。,半导体二极管及其应用,如图1-16所示为桥式整流电容滤波电路，负载两端并联的电容为滤波电容，利用C的充放电作用，使负载电压、电流趋于平滑。,1.2.3.1电容滤波,图1-16单相桥式整流电容滤波电路,半导体二极管及其应用,（1）

22、工作原理 单相桥式整流电路，在不接电容C时，其输出电压波形如图1-17(a)。,图1-17单相桥式整流电容滤波波形,半导体二极管及其应用,接上电容器C后，在输入电压U2正半周；二极管VD2、VD4在正向电压作用下导通，VD1、VD3反偏截止，如图1-16(a)。整流电流分为两路，一路向负载RL供电，另一路向C充电，因充电回路电阻很小，充电时间常数很小，C被迅速充电，如图1-17(b)中的oa段。到t1时刻，电容器上电压uCU2，极性上正下负。经过t1时刻后，u2按正常规律迅速下降直到t2时刻，此时u2uc，二极管VD2、VD4受反向电压作用截止。电容C,经RL放电，放电回路如图1-16(b)所

23、示。,半导体二极管及其应用,因放电时间常数放=RLC较大故uC只能缓慢下降，如图1-17(b)中ab段所示。与此同时，u2负半周到来，未装电容C时，二极管VD1、VD3导通，但此时uCu2,迫使VD1、VD3反偏截止，直到t2时刻u2上升到大于uC时，VD1、VD3才导通，同时C再度充电至uC u2，如图1-17(b)中bc段。而后，u2又按是正弦规律下降，当u2 uc时，VD1、VD3反偏截止，电容器又经RL放电。电容器C如此反复地充放电，负载上便得到近似,于锯齿波的输出电压。,接入滤波电容后，二极管的导通时间变短，如图1-17(c)所示。负载平均电压升高，交流成份减小。电路的放电时间常数=

24、RLC越大，C放电过程就越慢，负载上得到 的UO就越平滑。,半导体二极管及其应用,(2)滤波电容的选择 根据前面分析可知，电容C越大，电容放电时间常数=RLC越大，负载波形越平滑。一般情况下，桥式整流可按下式来选择C的大小，式中T为交流电周期。,滤波电容一般都采用电解电容，使用时极性不能接反。电容器耐压应大于 U2，通常取(1.52)U2。此时负载两端电压依经验公式得：,半导体二极管及其应用,例1-1 桥式整流电容滤波电路，要求输出直流电压30V，电流0.5A，试选择滤波电容的规格，并确定最大耐压值。（交流电源220V，50Hz)。,解：由于,其中：,半导体二极管及其应用,取电容标称值1000

25、F，由式5-1-9，,电容耐压为(1.52)U2=(1.52)25=37.5V50V 最后确定选1000F/50V的电解电容器一只。,半导体二极管及其应用,1.2.3.2电感滤波电路 电容滤波在大电流工作时滤波效果较差，当一些电气设备需要脉动小，输出电流大的直流电时，往往采用电感滤波电路，如图1-18。,图1-18电感滤波电路,半导体二极管及其应用,电感元件具有通直流阻碍交流的作用，整流输出的电压中直流分量几乎全部加在负载上，交流分量几乎全部降落在电感元件上，负载上的交流分量很小。这样，经过电感元件滤波，负载两端的输出电压脉动程度大大减小，如图1-19所示。,图1-19 电感滤波的波形,半导体

26、二极管及其应用,不仅如此，当负载变化引起输出电流变化时，电感线圈也能抑制负载电流的变化，这是因为电感线圈的自感电动势总是阻碍电流的变化。所以，电感滤波适用于大功率整流设备和负载电流变化大的场合。一般来说，电感越大滤波效果越好，滤波电感常取几亨利到几十亨利。有的整流电路的负载是电机线圈、继电器线圈等电感性负载，就如同串入了一个电感滤波器一样，负载本身能起到平滑脉动电流的作用，这样可以不另加滤波器。,半导体二极管及其应用,1.2.3.3 复式滤波 为了进一步提高滤波效果，减少输出电压的脉动成份，常将电容滤波和电感滤波组合成复式滤波电路。将滤波电容与负载并联，电感与负载串联构成常用的LC滤波器、RC

27、滤波器等。其电路原理与前面所述基本相同。,半导体二极管及其应用,1.2.4 直流稳压电路 交流电压经过整流滤波后，所得到的直流电压虽然脉动程度已经很小，但当电网波动或负载变化时，其直流电压的大小也随之发生变化。为了使输出的直流电压基本保持恒定需要在滤波电路和负载之间加上稳压电路。这里介绍用稳压二极管构成的一种简单的并联型稳压电路，如图1-20中的虚线框所示。由限流电阻R和硅稳压管组成稳压电路。,半导体二极管及其应用,图1-20 硅稳压管稳压电路,半导体二极管及其应用,引起输出电压不稳定的原因主要是两个：一是电源电压的波动，二是负载电流的变化。稳压管对这两种影响都有抑制作用。当交流电源电压变化引

28、起UI升高时，起初U0随着升高。由稳压管的特性曲线可知，随着U0的上升(即UZ上升)，稳压管电流IZ将显著增加，R上电流I增大导致R上电压降UR也增大。根据U0=UI-UR的关系，只要参数选择适当，UR的增大可以基本抵消UI的升高，使输出电压基本保持不变，上述过程可以表示为：,UIUo(UZ)IzIUR,U0,半导体二极管及其应用,反之，当UI下降引起U0降低时，调节过程与上相反。当负载变化时电流IO在一定范围内变化而引起输出电压变化时，同样会由于稳压管电流IZ的补偿作用，使U0基本保持不变。其过程描述如下：,IOI URUoIZ,Uo UR I,综上所述，由于稳压管和负载并联，稳压管总要限制U0的变化，所以能稳定输出直流电压U0，这种稳压电路也称为并联型稳压电路。,半导体二极管及其应用,技能训练,半导体二极管及其应用,半导体二极管及其应用,