一一 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用 1 1半导体基础知识半导体基础知识2 2半导体二极管半导体二极管3 3二极管电路分析与应用二极管电路分析与应用4 4特殊二极管特殊二极管5 5二极管的型号与检测二极管的型号与检测6 6小结小结1半导体的基础知识半导体的基础知识半导体的主要特性半导体的主要特性 PN 结结半导体的主要特性半导体的主要特性 半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子 自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。共价键共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构Si2 8 4Ge2 8 18 4简化简化模型模型+4惯性惯性核核硅硅( (锗锗) )的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子( (束缚电子束缚电子) )空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动1、本征半导体本征半导体本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：复复 合：合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成成对对消消失的过程。失的过程。漂漂 移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。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的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位( (空穴空穴) )的过程。的过程。两种载流子两种载流子电子电子( (自由电子自由电子) )空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子( (在共价键以外在共价键以外) )的运动的运动空穴空穴( (在共价键以内在共价键以内) )的运动的运动 结论结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；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；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，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。两种载流子两种载流子2、杂质半导体、杂质半导体（1）N 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数施主施主离子离子施主施主原子原子受主受主离子离子受主受主原子原子P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数施主施主离子离子施主施主原子原子受主受主离子离子受主受主原子原子（2）P 型半导体型半导体 PN 结结1、PN 结的形成结的形成1. 载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2. 复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区( (耗尽层耗尽层) ) 空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子， 阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。3. 扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流， 总电流总电流 I = 0。内建电场内建电场PN 结形成结形成2、PN 结的单向导电性结的单向导电性（1） 外加外加正向正向电压电压( (正向偏置正向偏置) )P 区区N 区区内电场内电场+ UR外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。 IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF 。IF = I多子多子 I少子少子 I多子多子（2） 外加外加反向反向电压电压( (反向偏置反向偏置) )P 区区N 区区 +UR内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 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; 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。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR = I少子少子 0PN 结正向偏置分析结正向偏置分析PN 结反向偏置分析结反向偏置分析半导体为什么能导电半导体为什么能导电?半导体基础知识小结半导体基础知识小结半导体为什么能导电半导体为什么能导电?(动画演示动画演示)2半导体二极管半导体二极管2.1 二极管的结构二极管的结构2.2 二极管的主要特性二极管的主要特性2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数2.1 二极管的结构二极管的结构构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) )符号：符号： A( (anode) )C ( (cathode) )分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型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锑金锑合金合金平面型平面型正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底2.2 二极管的主要特性二极管的主要特性1、正向特性与反向特性、正向特性与反向特性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) )( (锗管锗管) )U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU (BR)反反向向击击穿穿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( (反向击穿反向击穿) )二极管的单向导电性二极管的单向导电性反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿 PN 结未损坏，断电即恢复。结未损坏，断电即恢复。 PN 结烧毁。结烧毁。2、反向击穿电压、反向击穿电压 齐纳击穿齐纳击穿：( (Zener) )反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 ( (击穿电压击穿电压 6 V，正，正温度系数温度系数) )击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020二极管的伏安特性二极管的伏安特性3、温度对二极管特性的影响、温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20 C90 CT 升高时，升高时，UD(on)以以 (2 2.5) mV/ C 下降下降2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1. IF 最大整流电流最大整流电流( (最大正向平均电流最大正向平均电流) )2. URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为，为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流反向电流( (越小单向导电性越好越小单向导电性越好) )4. fM 最高工作频率最高工作频率( (超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差) )iDuDU (BR)I FURMO影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论：1. 低频低频时，因结电容很小，对时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。结影响很小。 高频高频时，因容抗增大，使时，因容抗增大，使结电容分流结电容分流，导致，导致单向单向 导电性变差。导电性变差。2. 结面积小时结电容小，工作频率高。结面积小时结电容小，工作频率高。3 二极管电路分析与应用二极管电路分析与应用3.1 理想二极管理想二极管3.2 二极管的应用电路二极管的应用电路3.1 理想二极管理想二极管1、理想模型、理想模型特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD = 0；反偏截止，；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 2、恒压降模型、恒压降模型uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)UD(on)3、折线近似模型、折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率斜率1/ rDrDUD(on)例例1.1 二二极极管管电电路路如如图图所所示示，试试判判断断图图中中的的二二极极管管是是导导通通还是截止，并求出还是截止，并求出AO两端电压两端电压VAO。设二极管是理想的。设二极管是理想的。 解解: 图图a：将：将D断开，以断开，以O点为电位参考点，点为电位参考点，D的阳极电位为的阳极电位为6 V，阴极电位为，阴极电位为12 V，故，故 D处于正向偏置而导通，处于正向偏置而导通，VAO=6 V。 图图b：D的阳极电位为的阳极电位为15V，阴极电位为，阴极电位为12V，D对被反对被反向偏置而截止，向偏置而截止，VAO12V。 图图c：对：对D1有阳极电位为有阳极电位为 0V，阴极电位为，阴极电位为12 V，故，故D1导导通，此后使通，此后使D2的阴极电位为的阴极电位为 0V，而其阳极为，而其阳极为15 V，故，故D2反反偏截止，偏截止，VAO=0 V。 图图d：对：对D1有阳极电位为有阳极电位为12 V，阴极电位为，阴极电位为0 V，对，对D2有阳有阳极电位为极电位为12 V，阴极电位为，阴极电位为6V故故D2更易导通，此后使更易导通，此后使VA6V；D1反偏而截止，故反偏而截止，故VAO6V。理想的。理想的。 3.2 二极管的应用电路二极管的应用电路1.1.整流电路整流电路D+-+-RuO Oui当当ui 0V时，时，D D导通，则导通，则uO O= =ui当当ui 0V时，时，D D截止，则截止，则uO O=0V 由由此此，利利用用二二极极管管的的单单向向导电性，实现了导电性，实现了半波整流半波整流。 若输入信号为正弦波：若输入信号为正弦波： VOt0uit0uO O例例 画出硅二极管构成的桥式整流电路在画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui = 15sin t (V) 作用下输出作用下输出 uO 的波形。的波形。( (按理想模型按理想模型) )RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/ V15Otui / V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4若若有有条条件件，可可切切换换到到 EWB 环环境境观观察桥式整流波形。察桥式整流波形。2. 限幅电路限幅电路 整流限幅作用整流限幅作用 V, 限幅电平为限幅电平为V。ui时二极管导通时二极管导通, uoV；uiV, 二极管截止二极管截止, uoui。波形如图。波形如图(a)所示。所示。 如果如果Um, 则限幅电平为。则限幅电平为。ui, 二二极管截止极管截止, uoui；ui, 二极管导通二极管导通, uo。波。波形图如图形图如图 ()所示。所示。 如果如果m, 则限幅电平为则限幅电平为E, 波形图如波形图如图图 ()所示。所示。 例例1.3 二极管双向限幅电路如图所示，二极管双向限幅电路如图所示，设设ui10sint (V)，二极管为理想器件，试画出输，二极管为理想器件，试画出输出出ui和和uo的波形。的值。的波形。的值。解解: ui正半周时正半周时，V2截止。当截止。当ui 6V时，时，V2截止，截止，uO = ui 。波形可画出如图所示。波形可画出如图所示。 V2uiV1时，时，D1、D2截止截止, ,uo= =ui t0uiui V1时，时，D1导通、导通、D2截止截止, ,uo= =V1 ui V2时，时，D2导通、导通、D1截止截止, ,uo= =V2 由此由此 ，电路实现双向限幅功能。，电路实现双向限幅功能。uO Oui+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中其中：V1为上为上限幅电平，限幅电平， V2为下为下限幅电平。限幅电平。例例1.4 限幅电路限幅电路(或削波电路）如图或削波电路）如图,画输出波形。画输出波形。t0uO OV2V13.门电路门电路 图示为二极管与门电路。图示为二极管与门电路。 当输入端当输入端A与与B同时为高同时为高电平电平“1”（+5 V）时，）时， 二二极管极管D1、 D2均截止，均截止，R中中没有电流，其上的电压降没有电流，其上的电压降为为0 V，输出端，输出端L为高电平为高电平“1”（+5 V）；）； 当当A、 B中任何一端为低电平中任何一端为低电平“0”（0 V）或）或A、 B端同时为低电平端同时为低电平“0”时，时， 二极管二极管D1、D2的导通使的导通使输出端输出端L为低电平为低电平“0”（0.7 V）。）。 即输入与输出信号状态满足即输入与输出信号状态满足“与与”逻辑关系。实逻辑关系。实现现 “与与”逻辑关系的电路称为逻辑关系的电路称为“与门与门”。 例例 1.5 二二极极管管构构成成“门门”电电路路，设设 V1、V2 均均为为理理想想二二极极管管，当当输输入入电电压压 UA、UB 为为低低电电压压 0 V 和和高高电电压压 5 V 的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压 UO 的值。的值。UAUBUOR3 k 12 VVDDV1V2BAY输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压U UA AU UB BV V1 1V V2 20 V0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V小小 结结理想二极管理想二极管：正偏导通，电压降为零，相当于开关合上；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。反偏截止，电流为零，相当于开关断开。恒压降模型恒压降模型：正偏电压正偏电压 UD(on) 时导通，等效为恒压源时导通，等效为恒压源 UD(on)；否则截止，相当于二极管支路断开。否则截止，相当于二极管支路断开。4特殊二极管特殊二极管4.1 稳压二极管稳压二极管4.2 发光二极管发光二极管4.1 稳压二极管稳压二极管1. 稳压特性稳压特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性2. 基本参数基本参数1)稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。2)稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好， 小于小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3)最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4)动态电阻动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 3. 分析简单稳压电路的工作原理，分析简单稳压电路的工作原理，R 为限流电阻。为限流电阻。IR = IZ + ILUO= UI IR R当当 UI 波动时波动时( (RL不变不变) )反之亦然反之亦然当当 RL 变化时变化时( (UI 不变不变) )反之亦然反之亦然UIUORRLILIRIZ4.2 发光二极管发光二极管1.发光二极管发光二极管 LED1)符号和特性符号和特性工作条件：正向偏置工作条件：正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mA， 导通电压导通电压 (1 2) V2)主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM ，U(BR) ，IR光学参数：峰值波长光学参数：峰值波长 P，亮度，亮度 L，光通量，光通量 发光类型：发光类型：可见光：红、黄、绿可见光：红、黄、绿显示类型：显示类型： 普通普通 LED ，不可见光：红外光不可见光：红外光，点阵，点阵 LED符号符号u /Vi /mAO2特性特性七段七段 LED点式点式LED字段式字段式LED点阵式点阵式LED光柱式光柱式LEDLED 的类型的类型2.光敏二极管光敏二极管1)符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E = 200 lxE = 400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置2)主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片 结构与普通二极管相似，只是在管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。壳上留有一个能使光线照入的窗口。补充：补充：选择二极管限流电阻选择二极管限流电阻步骤：步骤：1. 设定工作电压设定工作电压( (如如 0.7 V；2 V ( (LED) )；UZ ) )2. 确定工作确定工作电流电流( (如如 1 mA；10 mA；5 mA) )3. 根据欧姆定律求电阻根据欧姆定律求电阻 R = (UI UD)/ ID( (R 要选择标称值要选择标称值) )RUIUDID5二极管的型号与检测二极管的型号与检测二极管的型号与参数选录二极管的型号与参数选录二极管的识别与检测二极管的识别与检测5.1 二极管的型号与参数选录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及其意义见表11。2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字表示器件电极的数目用汉语拼音字母表示器件的材料和极性用汉语拼音字母表示器件的类型用数字表示器件序号用汉语拼音表示规格的区别代号符号意义符号意义符号意义符号意义23二极管三极管ABCDABCDEN型，锗材料P型，锗材料N型，硅材料P型，硅材料PNP型，锗材料NPN型，锗材料PNP型，硅材料NPN型，硅材料化合物材料PVWCZLSNUKXG普通管微波管稳压管参量管整流管整流堆隧道管阻尼管光电器件开关管低频小功率管（fm3MHz,PC1W）高频小功率管(fm 3MHz,PC1W）DATYBJCSBTFHPINJG低频大功率管(fm3MHz,PC1W)高频大功率管(fm 3MHzPC1W）半导体闸流管(可控硅整流器)体效应器件雪崩管阶跃恢复管场效应器件半导体特殊器件复合管PIN型管激光器件表表1-11-1国产半导体分立器件型号命名法国产半导体分立器件型号命名法 参数 型 号最大整流电流/mA正向电流/mA正向压降(在左栏电流值下)/V反向击穿电压/V最高反向工作电压/V反向电流/A零偏压电容/pF反向恢复时间/ns2AP9162.5140202501fH(MHz)1502AP751501002AP1125101102501fH(MHz)402AP171510100表表1 12 2部分半导体二极管参数部分半导体二极管参数 （1）部分常用检波二极管参数 参数型号最大整流电流/mA正向电流/mA正向压降(在左栏电流值下)/V反向击穿电压/V最高反向工作电压/V反向电流/A零偏压电容/pF反向恢复时间/ns2CZ52BH20.1125 600同2AP普通二极管2CZ53BM60.3150 10002CZ54BM100.5150 10002CZ55BM201150 10002CZ56B6530.825（2）部分整流二极管参数测试条件 参数型号工作电流为稳定电流稳定电压下环境温度50oC稳定电流下稳定电流下环境温度10oC稳定电压/V稳定电流/mA最大稳定电流/mA反向漏电流动态电阻/电压温度系数/10-4/oC最大耗散功率/W2CW512.53.51071560-90.252CW523.24.555270-82CW5345.841150-642CW545.56.5380.530-352CW5678.8271572CW578.59.8262082CW591011.85203092CW6011.512.5194092CW10345.850165120-6412CW11011.512.520760.52092CW113161910520.540112CW1A5302402012CW6C153070812CW7C6.06.51030100.050.2（3 3）常用稳压二极管的主要参数常用稳压二极管的主要参数 5.2 二极管的识别与检测二极管的识别与检测1. 目测判别极性目测判别极性触丝触丝半导体片半导体片2. 用万用表检测二极管用万用表检测二极管在在 R 1 k 挡进行测量，挡进行测量，红表笔是红表笔是( (表内电源表内电源) )负极，负极，黑表笔是黑表笔是( (表内电源表内电源) )正极。正极。测量时手不要接触引脚。测量时手不要接触引脚。( (1) )用指针式万用表检测用指针式万用表检测一一般般硅硅管管正正向向电电阻阻为为几几千千欧，锗管正向电阻为几百欧。欧，锗管正向电阻为几百欧。正正反反向向电电阻阻相相差差不不大大为为劣劣质管。质管。正正反反向向电电阻阻都都是是无无穷穷大大或或零则二极管内部断路或短路。零则二极管内部断路或短路。 1k 0 0 0( (2) ) 用数字式万用表检测用数字式万用表检测红表笔是红表笔是( (表内电源表内电源) )正极，正极，黑表笔是黑表笔是( (表内电源表内电源) )负极。负极。2k20k200k2M20M200 在在 挡挡进进行行测测量量，当当 PN 结结完完好好且且正正偏偏时时，显显示示值值为为PN 结结两两端端的的正正向向压压降降 ( (V) )。反反偏偏时，显示时，显示 。一、两种半导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子 自由电子自由电子空穴空穴 价电子价电子两两 种种半导体半导体N 型型 ( (多电子多电子) )P 型型 ( (多空穴多空穴) )二、二、二、二、二极管二极管1. 1. 特性特性特性特性 单向单向导电导电导电导电正向电阻小正向电阻小( (理想为理想为 0) )，反向电阻大反向电阻大( ( ) )。iDO uDU (BR)I FURM2. 2. 主要参数主要参数主要参数主要参数正向正向 最大平均电流最大平均电流 IF反向反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 U(BR)( (超过则击穿超过则击穿) )反向饱和电流反向饱和电流 IR ( (IS) )( (受温度影响受温度影响) )IS6小小 结结3. 二极管的等效模型二极管的等效模型理想模型理想模型 ( (大信号状态采用大信号状态采用) )uDiD正偏导通正偏导通 电压降为零电压降为零 相当于理想开关闭合相当于理想开关闭合反偏截止反偏截止 电流为零电流为零 相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型UD(on)正偏电压正偏电压 UD(on) 时导通时导通 等效为恒压源等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开UD(on) = (0.6 0.8) V估算时取估算时取 0.7 V硅管：硅管：锗管：锗管：(0.1 0.3) V0.2 V折线近似模型折线近似模型相当于有内阻的恒压源相当于有内阻的恒压源 UD(on)4. 二极管的分析方法二极管的分析方法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法5. 特殊二极管特殊二极管工作条件工作条件主要用途主要用途稳压二极管稳压二极管反反 偏偏稳稳 压压发光二极管发光二极管正正 偏偏发发 光光光敏二极管光敏二极管反反 偏偏光电转换光电转换