半导体二极管及其基本应用电路(12)

2021/3/6
3
1.1 半导体二极管
1）本征半导体中的两种载流子——电子和空穴
在室温下，本征半导体中少数价电子因受热而获得能量 ，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电 子。与此同时，失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留 下了一个空位，这个空位称为空穴。由于本征硅或锗每产 生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成 对出现，称为电子空穴对。
• 1.4.5 激光二极管
• 激光是英文Laser的意译，音译为“镭射”。激光是 由激光器产生的。激光器有固体激光器、气体激光 器、半导体激光器等。半导体激光器是所有激光器 中效率最高、体积最小的一种，而比较成熟且实用 的半导体激光器是砷化镓激光器，即激光二极管。
2021/3/6
27
• 图1-3-10为倍压整流电路，该电路是用n个整流二极管和n 个电容组成n倍压整流电路。从图1-3-10中a、c两端取出电 压为nU2 ，其中n为偶数；而从b、d两端取出电压为nU2 ， 其中n为奇数。可以根据需要选择输出电压。在电路中，除 了电容C1承受电压为U2外，其他电容上承受的电压均为 2U2，每个整流管的反向电压为2U2。该电路虽可得到较高 的直流输出电压，但它的输出特性很差，所以只适用于负 载电流很小，且负载基本上不变的场合。
• 二极管的主要特性是单向导电。二极管的特性可用伏安特性曲线来描 述。
• 1．二极管的伏安特性曲线 • 二极管的种类虽然很多，但它们都具有相似的伏安特性。所谓二极管
伏安特性曲线就是流过二极管的电流Ｉ与加在二极管两端电压U之间的
关系曲线。图1-1-13 所示为硅和锗二极管伏安特性曲线，
2021/3/6
第 1章
半导体二极管及其基本应用电路
2021/3/6
1
本章教学基本要求
• 要知道：N型和P型半导体的区别、PN结的导电特性、硅和 锗二极管阈值电压和正向导通电压值、温度对二极管特性 和参数的影响、常用特种二极管以及倍压整流使用要点。
• 会计算：用等效电路法计算二极管电路参数；单相桥式整 流电路、单相桥式整流电容滤波电路的输出电压、输出电 流。
2021/3/6
22
1.4 特种二极管
• 1.4.1 稳压二极管
• 硅稳压二极管（简称稳压管）是一种用特殊工艺制 造的面结合型硅半导体二极管，使用时，它的阴极 接外加电压的正端，阳极接负端，管子反向偏置， 工作在反向击穿状态，利用它的反向击穿特性稳定 直流电压。
2021/3/6
23
1.4 特种二极管
13
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，以 防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
2021/3/6
5
1.1 半导体二极管
2．杂质半导体
掺入微量元素的原子称为杂质，掺入杂质的半 导体称为杂质半导体。杂质半导体有P型半导体和 N型半导体两大类。
2021/3/6
6
1.1 半导体二极管
3．PN结
• 单纯的一块P型半导体或N型半导体，只能作为一 个电阻元件，而不能做成所需要的晶体管器件。但 是，如果把P型半导体和N型半导体通过一定方法 结合起来形成的PN结就具有这种功能。PN结是构 成半导体二极管、半导体三极管、晶闸管 、集成 电路等许多半导体器件的基础。
2021/3/6
15
1.2半导体二极管的等效电路
• 1.2.1 理想二极管伏安特性
• 图1-2-1用粗实线表示的是理想二极管伏安特性。 由图可知，理想二极管正偏时正向压降为零，相当 于开关闭合（即短路），反偏时，反向电流为
1.2半导体二极管的等效电路
2021/3/6
4
1.1 半导体二极管
2）本征半导体的热敏特性和光敏特性
本征半导体受热或光照后产生电子空穴对的物 理现象称为本征激发。
当温度升高或光照增强，本征半导体内原子运 动加剧，有较多的电子获得能量成为自由电子，即 电子空穴对增多，与此同时，又使复合的机会相应 增多，最后达到一个新的相对平衡，这时电子空穴 对的数目自然比原先多，所以本征半导体中电子空 穴对的数目与温度或光照有密切关系。温度越高或 光照越强，本征半导体内载流子数目越多，导电性 能越好。
2021/3/6
24
1.4 特种二极管
• 1.4.3 光电二极管
• 光电二极管又称光敏二极管，是一种光接收器件， 其PN结工作在反偏状态。
2021/3/6
25
1.4 特种二极管
• 1.4.4 变容二极管
• 变容二极管是利用PN结的电容效应工作的，它工作 于反向偏置状态。
2021/3/6
26
1.4 特种二极管
1.1 半导体二极管
• 2．温度对二极管特性的影响
• 二极管的特性对温度很敏感，随着温度升高，二极管正向 特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动，如图1-1-14 所示。因为温度升高，扩散运动加强，在同一正向电流下 所需正向压降下降，所以正向特性向左移动，又因为温度 升高，本征激发加强，少数载流子数目增加，在同一反向 电压作用下，反向饱和电流增大。由此可知，反向特性向 下移动。
1.3.1 单相整流滤波电路
2021/3/6
18
1.3半导体二极管的基本应用
1.3.1 单相整流滤波电路
2021/3/6
19
1.3半导体二极管的基本应用
1.3.1 单相整流滤波电路
2021/3/6
20
1.3半导体二极管的基本应用
1.3.2 倍压整流电路简介
• 实践中有时需要高电压、小电流的直流电源，这时若采用 前述整流电路，势必要求变压器副边绕组有很高的电压。 这样，副边绕组的匝数增加，层间绝缘困难，体积增大， 制造也比较复杂，同时对二极管的耐压要求很高。这时可 采用倍压整流电路，即用低电压的交流电源和低耐压的整 流二极管获得高于输入电压许多倍的输出电压。
• 1.1.2 半导体二极管的结构和符号
• 半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。二极 管内部由一个PN结构成，对于分立二极管来说， 还应在PN结的两端引出金属电极、外加管壳或用 塑料封装。由于功能和用途的不同，二极管的外形 各异，几种常见的二极管外形如图1-1-10所示。
2021/3/6
11
1.1 半导体二极管
• 1.4.2 发光二极管
• 发光二极管（简称LED）是一种光发射器件，它是一种新型 冷光源，是由镓（Ga）、砷（AS）、磷（P）等的化合物制 成的。由这些材料构成的PN结加上正向电压时，N区电子和 P区空穴都穿过PN结，在运动途中发生复合，复合时释放的 能量是一种光谱辐射能，所以PN结便以发光的形式来释放 载流子复合时的能量。
2021/3/6
21
1.3半导体二极管的基本应用
1.3.3 限副电路
利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的 特点，可组成限幅电路，用来限制输出电压的幅度。图1-311(a)为一双向限幅电路。设ui为幅值大于直流电源电压UC1 （=UC2）值的正弦波，则输出电压uo被限制在UC1、-UC2之 间，将输入电压的幅度削掉了一部分，其波形如图1-3-11(b) 所示。
大小是不同的。
• (１) PN结正向偏置 • 如图1-1-8(a)所示，P区接电源正极，N区接电源负
极，这种接法叫正向偏置。
• （2）PN结反向偏置 • 如图1-1-9所示，P区接电源的负极，N区接电源的
正极，这种接法叫反向偏置。
2021/3/6
9
1.1 半导体二极管
2021/3/6
10
1.1 半导体二极管
• 1.2.2 二极管固定压降伏安特性
• 图1-2-2为二极管正向的固定压降伏安特性。由图 可知，当二极管正向压降超过导通电压UF时，二极 管导通。并在电路中呈现为一个固定正向压降（通 常硅管取0.7V，锗管取0.3V），否则二极管不导通 ，电流为零。
2021/3/6
17
1.3半导体二极管的基本应用
• 会画出：单相桥式整流电容滤波电路、二极管限幅电路的 输出波形。
• 会确定：选用二极管、滤波电容、变压器所依据的主要参 数。
• 会分析：单相桥式整流电容滤波电路中故障原因。 • 会判断：用万用表判断二极管管脚极性和质量好坏。
2021/3/6
2
1.1 半导体二极管
1.1.1 PN结
1．本征半导体
几乎不含杂质的纯净半导体称为本征半导体。 目前用于制造半导体器件的材料有硅（Si）、锗 (Ge)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)等 ，其中以硅和锗最为常用。
• 图1-1-12 所示是二极管的符号。二极管有两个电极 ，由P区引出的电极是正极，又叫阳极；由N区引 出的电极是负极，又叫阴极。三角箭头方向表示正 向电流的方向，正向电流只能从二极管的阳极流入 ，阴极流出。二极管的文字符号用D或VD、V表示 。
2021/3/6
12
1.1 半导体二极管
• 1.1.3 半导体二极管的伏安特性
1）PN结的形成
• 在一块完整的本征硅（或锗）片上，用不同的掺杂 工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半 导体，在这两种杂质半导体的交界面附近就会形成 一个具有特殊性质的薄层，这个特殊的薄层就是 PN结。
2021/3/6
7
1.1 半导体二极管
2021/3/6
8
1.1 半导体二极管
• 2）PN结的导电特性 • PN结在不同极性外加电压作用下，流过PN结电流