第一章 半导体二极管及其应用

1.1 半导体二极管 1.1.1 半导体基础知识 1．半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用 的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和砷化镓 （GaAs）等。 2．本征半导体： 纯净的不含任何杂质、晶体结构排列整 齐的半导体。 3．共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。 4．半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。 5．空穴产生：价电子获得能量挣脱原子核吸引和共价键束 缚后留下的空位，空穴带正电。
(3)最大耗散功率PM和最大工作电流IZM PM为稳压管所允许的最大功率，IZM为稳压管允许流过的 最大工作电流，超过PM或IZM时，管子因温度过高而损坏。 PM＝UZIZM
(4)动态内阻rZ 它是指稳压管两端电压变化量ΔUZ与相应 电流变化量ΔIZ之比值。它反映管子的稳压性能，rZ越小，稳 压性能越好。 (5)稳定电压的温度系数CTV 稳压管中流过的电流为IZ 时，环境温度每变化1℃，稳定 电压相对变化量（用百分数表示）称为稳定电压的温度系数。 它表示温度变化对稳定电压UZ的影响程度。
1.1.3 二极管的伏安特性 一、二极管的单向导电性 图(a)中的开关闭合，灯亮，大电流；图(b)开关闭合，灯不亮， 电流几乎为零。
图1.1.5 半导体二极管单向导电性实验 （a)二极管正向偏置 （b)二极管反向偏置
二极管阳极电位高于阴极电位，称为二极管(PN结)正向 偏置，简称正偏(Forward bias)； 二极管阳极电位低于阴极电位，称为二极管(PN结)反向 偏置，简称反偏(Reverse bias)。 二极管正偏导通，反偏截止的这种特性称为单向导电性 (Onilateral conductivity)。
报警器实物图
1.2
特种二极管
1.2.1 稳压二极管（Voltage regulator diode） 稳压二极管就是通过半导体特殊工艺处理后，使它具有 很陡峭的反向击穿特性的二极管。又称齐纳二极管（Zener diode），简称稳压管。稳压二极管的电路符号与其伏安特性 如图1.2.1所示。常用稳压二极管有2CW和2DW系列。
图1.2.4 快速恢复二极管图形符号Leabharlann .2.5SMT与微型二极管简介
图1.2.5 圆柱型微型二极管
图1.2.6 SOT-23封装微型二极管
图1.2.7 SOT-23封装型二极管内部结构
微型元器件实物图
1.3
1.3.1
二极管整流电路
单相半波整流电路
市电（交流电网）变为稳定的直流电需经过变压、整 流、滤波和稳压四个过程。 利用二极管的单向导电性，将大小和方向都随时间变
1.1.4 温度对二极管特性的影响 1、温度升高1℃，硅和锗二极管导通时的正向压降UF将减 小2.5mv左右。 2、温度每升高10℃，反向电流增加约一倍。 3、温度升高UBR下降。
1.1.5 二极管的主要参数 1．最大整流电流IF IF为指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流。 IF与PN结的材料、面积及散热条件有关。 大功率二极管使用时，一般要加散热片。 在实际使用时，流过二极管最大平均电流不能超过IF，否则二 极管会因过热而损坏。
教学目标
4、熟悉单相半波整流、桥式整流电路组成及工作原 理；选学全波整流电路组成、工作原理；会估算整 流电路直流电压、选择整流二极管；了解整流电路 纹波系数概念；掌握全波、桥式整流电路中二极管 的正确装接方法；选学倍压整流电路组成工作原理 及适用场合。
5、熟悉电容滤波电路工作原理，会估算输出电压， 正确选用二极管和电解电容；了解LC滤波电路组成， 熟悉RC滤波电路组成，会估算输出电压。
2．最高反向工作电压URM（反向峰值电压） URM为二极管在使用时允许外加的最大反向电压。URM=UBR。 实际使用时，二极管所承受的最大反向电压值不应超过URM ， 以免二极管发生反向击穿。
3．反向电流IR IR是指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。 4．最高工作频率 二极管的工作频率若超过一定值，就可能失去单向导电 性，这一频率称为最高工作频率。主要由PN结的结电容的大 小来决定。 点接触型二极管结电容较小，可达几百兆赫兹。 面接触型二极管结电容较大，只能达到几十兆赫兹。 必须注意的是，手册上给出的参数是在一定测试条件下 测得的数值。如果条件发生变化，相应参数也会发生变化。 因此，在选择使用二极管时注意留有余量。
1.1.2 二极管的结构、类型、图形符号 1.通过一定的生产工艺把半导体的P区和N区部分结合在一 起，则它们的交界处就会形成一个具有单向导电性的薄层， 称为PN结（PN Juntion）。 2.以PN结为管芯，在P区和N区均接上电极引线，并以外壳 封装，就制成了半导体二极管，简称二极管。 3.二极管电路符号：箭头方向表示二极管导通时的电流方向。
图1.1.3 二极管内部结构示意图、图形符号 (a)内部结构 (b)图形符号
4．二极管的分类 (1)按所用材料不同划分：硅管和锗管；
(2)按制造工艺不同划分：
①点接触型：结电容（Junction capacitance）很小，允许 通过的电流也很小（几十毫安以下），适用于高频检波、变
频、高频振荡等场合。2AP系列和2AK系列；
图1.1.9 二极管构成的稳压电路
附：二极管引脚识别及性能简易测试
二极管性能简易测试示意图 可使用万用表电阻档通过测量二极管的正、反向电阻 值，来判别其阳极、阴极。 可使用万用表R×1k、R×100档对二极管性能进行简 易测试。
三、在模拟电子报警器中的应用
VD8为续流二极管。 VD1～VD4选用整流二 极管1N4007用于整流。 VD10、VD11、VD12起 开关、钳位作用。 VD5起开关、钳位作用。
1.1
半导体二极管
半导体二极管是最简单的电子器件，但应用十分广泛。 其主要用于整流、限幅、开关等。其中绝大多数的电子仪器 设备用交流电供电，其中经过变压、整流、滤波，再经稳压 器稳压后给电子电路作为直流电源。
本书附录B中的模拟电子报警器就采用这种供电方案。 除普通、整流二极管外，还有一些特殊二极管，用于各种不 同的特殊的场合。
第一章
1.1
半导体二极管及其应用
半导体二极管
1.2
1.3 1.4
特种二极管
二极管整流电路 滤波电路
教学目标
1、了解半导体的结构和导电特性、本征半导体的特 点、导电原理、杂质半导体特点、PN结的特性。
2、了解二极管的结构，熟悉二极管的单向导电性、 电路符号、伏安特性、主要参数、温度对特性的影响、 简单应用。 3、熟悉稳压二极管的伏安特性、电路符号及主要参 数。了解变容二极管、肖特基二极管、快速恢复二极 管的特性、电路符号，了解SMT与微型二极管基本知 识。
通常UZ＜5V的稳压管具有负温度系数，UZ＞8V的稳压管 具有正温度系数，而UZ 在6V左右时稳压管（如2DW7型）的 温度系数最小。
1.2.2 变容二极管 1．变容二极管原理、电路符号 变容二极管是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而 变化的特性制成的。
图1.2.2 变容二极管图形符号和C-U特性曲线 2．用途 它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等，例 如在电视接收机的调谐回路中作可变电容等。
图1.1.1 共价健结构与空穴产生示意图
6．半导体的特性
7．杂质半导体的分类： (1)N型半导体(N-type semiconductor)：在四价的本征半导 体(硅)中掺入微量五价元素(磷)，就形成了N型半导体。
(2)P型半导体(P-type semiconductor)：在四价的本征半导 体(硅)中掺入微量三价元素(硼)就形成P型半导体。
二、二极管的伏安特性(Volt-ampere characteristics) 二极管的伏安特性曲线如图1.1.6所示，分为三部分： (a)正向特性 (b)反向特性 (c)反向击穿特性
图1.1.6 半导体二极管（硅管）伏安特性曲线
(a)正向特性：①OA段为死区，此时正偏电压称为死区电压 Uth，硅管0.5V，锗管0.1V。②AB段为缓冲区。③BC段为正 向导通区。当u≥Uth时，二极管才处于完全导通状态，导通电 压UF基本不变。硅管为0.7~0.8V,一般取0.7V，锗管为 0.2~0.3V，通常取0.2V。当二极管为理想二极管时，UF＝0。 (b)反向特性：如图OD段所示，二极管处于截止状态，在电 路中相当于开关处于关断状态。 (c)反向击穿特性：如图所示，反向电流在E处急剧上升，这 种现象称之为反向击穿（Reverse breakdown），此时所对应 的电压为反向击穿电压UBR。对于非特殊要求的二极管，反向 击穿时会使二极管PN结过热而损坏。
1.2.4
快速恢复二极管

快速恢复二极管图形符号如图1.2.4所示，它与普通二极 管相似，但制造工艺与普通二极管有所不同，在靠近PN结的 掺杂浓度很低，以此获得较高开关速度和较低的正向压降。 它的反向恢复时间为200~750nS，高速的可达10nS，与肖特基 二极管相比，其耐压值要高得多。 它主要用作高速整流元件，在开关电源和逆变电源中作 整流二极管，以降低关断损耗，提高效率和减小噪声。
图B.2 可燃气体报警器
其中VD1～VD4选用整流二极管1N4007用于整流。 VD5起开关、钳位作用，当阴极电位高于阳极电位，VD5 截止，相当于开关断开；当阳极电位高于阴极电位，VD5导通， 二极管两端电压钳制在0.7V左右。 VD8为续流二极管，当电路有+5V电源供电时，VD8反偏 截止，电容C4通过R7充电，UC5＜＋5V，VD8反偏截止；当 电源关断，VD8正偏导通，等效电阻远小于R7，近似于短路， 为C5放电提供了放电的通路，加快放电。 VD10、VD11、VD12起开关、钳位作用，工作原理参阅 7.1.1节。 VD5、VD8、VD10、VD11、VD12均选用开关二极管 1N4148。
1.1.6 二极管的应用 一、二极管限幅电路 1.单向限幅电路
图1.1.7 单向限幅电路 （a）电路图 （b）波形图