第1章_半导体的基本知识.ppt

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1、第第1章章 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1 半导体及半导体及PN结结1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用1.4 特殊二极管特殊二极管本章小结本章小结1.1 半导体及半导体及PN结结半导体器件是半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、质世纪中期开始发展起来的，具有体积小、质量小、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率量小、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。半导体高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。半导体器件是构成电子电路的基础。半导体器件和电阻、电容、电

2、器件是构成电子电路的基础。半导体器件和电阻、电容、电感等电子兀器件连接起来，以组成各种电子电路。顾名思义，感等电子兀器件连接起来，以组成各种电子电路。顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，因此必须对半导体材半导体器件都是由半导体材料制成的，因此必须对半导体材料的特点有一定的了解。料的特点有一定的了解。下一页返回1.1 半导体及半导体及PN结结1.1.1 半导体的基本特性半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将很容易大体可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将很容

3、易导电、电阻率小于导电、电阻率小于1010-4-4 cmcm的物质，称为铜、铝、银等金的物质，称为铜、铝、银等金属材料，将很难导电，电阻率大于属材料，将很难导电，电阻率大于10101010 cmcm的物质，称为的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在体和绝缘体之间、电阻率在1010-4-4 10 1010 10 cmcm范围内的物质，范围内的物质，称为半导体。将导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为称为半导体。将导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体材料是硅（半导体。常用的半

4、导体材料是硅（SiSi）和锗（）和锗（GeGe）。）。上一页 下一页返回1.1 半导体及半导体及PN结结用半导体材料制作电子元器件，不是因为其导电能力介于导用半导体材料制作电子元器件，不是因为其导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度、光照的体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度、光照的变化或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同变化或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。于导体的特殊性质。返回上一页 下一页1.1 半导体及半导体及PN结结1.热敏性热敏性所谓热敏性就是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅速所谓热敏性就是指半导体的导电能

5、力随着温度的升高而迅速增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的锗在温度从锗在温度从2020升高到升高到3030时，其电阻率几乎减小为原来的时，其电阻率几乎减小为原来的1/21/2。而一般金属导体的电阻率则变化较小，例如铜，当温度。而一般金属导体的电阻率则变化较小，例如铜，当温度同样升高同样升高1010时，其电阻率几乎不变。时，其电阻率几乎不变。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结2.光敏性光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。硫化铜薄膜在暗

6、处的电阻为几十兆欧，受光照后，电阻可以下硫化铜薄膜在暗处的电阻为几十兆欧，受光照后，电阻可以下降到几十千欧，只有原来的降到几十千欧，只有原来的1%1%左右。自动控制中用的光电二极左右。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用半导体的光敏特性制成的。而金属导管和光敏电阻，就是利用半导体的光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处的电阻率一般没有什么变化。体在阳光下或在暗处的电阻率一般没有什么变化。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结3.杂敏性杂敏性所谓杂敏性就是指半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生所谓杂敏性就是指半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要

7、掺入亿分之一的硼，电阻很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以，利用这一特性，可率就会下降到原来的几万分之一。所以，利用这一特性，可以制造出不以制造出不i i司性能、不同用途的半体元器件。而金属导体即司性能、不同用途的半体元器件。而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有么影响使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有么影响.半导半导体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。导电机理。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结1.1.2 本征半导体本征半导体原

8、子由原子核和电子构成，原子核由带正电的质子和不带电原子由原子核和电子构成，原子核由带正电的质子和不带电的中子构成，电子带负电并围绕原子核旋转。电子以不同的的中子构成，电子带负电并围绕原子核旋转。电子以不同的距离在核外分层排布，距越远，电子的能量越高，最外层的距离在核外分层排布，距越远，电子的能量越高，最外层的电子被称为价电子，物质的化学性质就是由价电子的数目决电子被称为价电子，物质的化学性质就是由价电子的数目决定的。定的。由于现在所用的半导体材料仍然主要是硅和锗，所以在这里由于现在所用的半导体材料仍然主要是硅和锗，所以在这里只讨论硅和锗的原子结构，只讨论硅和锗的原子结构，图图1 1一一1 1所

9、示是硅和锗的原子结构所示是硅和锗的原子结构简化模型。硅和锗的外层电子都是四个，它们是四价元素。简化模型。硅和锗的外层电子都是四个，它们是四价元素。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结随着原子间的相互靠近，价电子相互作用并形成晶体。晶体随着原子间的相互靠近，价电子相互作用并形成晶体。晶体的最终结构是四面体，每个原子的最终结构是四面体，每个原子(硅或锗硅或锗)周围都有四个临近周围都有四个临近的的(硅或锗硅或锗)原子，分布在两个原子间的价电子构成共价键，原子，分布在两个原子间的价电子构成共价键，图图1-21-2所示是硅和锗四面体结构。所示是硅和锗四面体结构。硅和锗四面体结构一般用二维平面

10、图来表示，硅和锗四面体结构一般用二维平面图来表示，图图1-31-3所示是硅所示是硅和锗晶体结构平面图。在晶体结构中，通过电子运动，每一和锗晶体结构平面图。在晶体结构中，通过电子运动，每一半导体原子最外层的四个价电子与相邻的四个半导体原子的半导体原子最外层的四个价电子与相邻的四个半导体原子的各一个价电子组成四对共价键，并按规律排列，各一个价电子组成四对共价键，并按规律排列，图图1-31-3中的原中的原子间每条线代表一个价电子。子间每条线代表一个价电子。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结本征半导体是一种纯净的半导体晶体。在热力学温度本征半导体是一种纯净的半导体晶体。在热力学温度T=0

11、 K T=0 K (-273)(-273)且无外部激发能量时，每个价电子都处于最低能态，且无外部激发能量时，每个价电子都处于最低能态，价电子没有能力脱离共价键的束缚，没有能够自由移动的带价电子没有能力脱离共价键的束缚，没有能够自由移动的带电粒子，这时的本征半导体被认为是绝缘体。电粒子，这时的本征半导体被认为是绝缘体。当价电子在外部能量当价电子在外部能量(如温度升高、光照如温度升高、光照)作用下，一部分价作用下，一部分价电子脱离共价键的束缚成为自由电子，这一过程叫本征激发。电子脱离共价键的束缚成为自由电子，这一过程叫本征激发。自由电子是带负电荷量的粒子，它是本征半导体中的一种载自由电子是带负电荷

12、量的粒子，它是本征半导体中的一种载流子。在外电场作用下，自由电子将逆着电场方向运动形成流子。在外电场作用下，自由电子将逆着电场方向运动形成电流。载流子的这种运动叫漂移，所形成的电流叫漂移电流。电流。载流子的这种运动叫漂移，所形成的电流叫漂移电流。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结价电子脱离共价键的束缚成为自由电子后，在原来的共价键价电子脱离共价键的束缚成为自由电子后，在原来的共价键中便留下一个空位，这个空位叫空穴。空穴很容易被邻近共中便留下一个空位，这个空位叫空穴。空穴很容易被邻近共价键中跳过来的价电子填补上，于是在邻近共价键中又出现价键中跳过来的价电子填补上，于是在邻近共价键中

13、又出现新的空穴，这个空穴再被别处共价键中的价电子填补；这样，新的空穴，这个空穴再被别处共价键中的价电子填补；这样，在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。在外部能量的作在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。在外部能量的作用下，填补空穴的价电子作定向移动也形成漂移电流。但这用下，填补空穴的价电子作定向移动也形成漂移电流。但这种价电子的填补运动是由于空穴的产生引起的，而且始终是种价电子的填补运动是由于空穴的产生引起的，而且始终是在原子的共价键之间进行的，它不同于自由电子在晶体中的在原子的共价键之间进行的，它不同于自由电子在晶体中的自由运动。自由运动。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结同

14、时，价电子填补空穴的运动无论在形式上还是在效果上都同时，价电子填补空穴的运动无论在形式上还是在效果上都相当于空穴在与价电子运动相反的方向上运动。为了区分电相当于空穴在与价电子运动相反的方向上运动。为了区分电子的这两种不同的运动，把后一种运动叫做空穴运动，空穴子的这两种不同的运动，把后一种运动叫做空穴运动，空穴被看作带正电荷的带电粒子，称为空穴载流子。被看作带正电荷的带电粒子，称为空穴载流子。图图1 1一一4 4所示所示是半导体中的两种载流子。是半导体中的两种载流子。综上所述，本征半导体中存在两种载流子：带负电荷的自由综上所述，本征半导体中存在两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。它们

15、是成对出现的，也叫电子空穴电子和带正电荷的空穴。它们是成对出现的，也叫电子空穴对。对。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结由于两者电荷量相等，极性相反，所以本征半导体是电中性由于两者电荷量相等，极性相反，所以本征半导体是电中性的。本征半导体在外界的作用下，自由电子形成电子电流，的。本征半导体在外界的作用下，自由电子形成电子电流，空穴形成空穴电流，虽然两种载流子的运动方向相反，但因空穴形成空穴电流，虽然两种载流子的运动方向相反，但因为其所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相为其所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的，其和就是半导体中的电流。同的，其和就是半导体

16、中的电流。另外需要指出的是，价电子在热运动中获得能量而产生电子另外需要指出的是，价电子在热运动中获得能量而产生电子空穴对的物理现象称为激发；同时自由电子在运动中与空穴空穴对的物理现象称为激发；同时自由电子在运动中与空穴相遇，使电子、空穴对消失，这种现象称为复合。相遇，使电子、空穴对消失，这种现象称为复合。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结在一定温度下，载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，在一定温度下，载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子浓度是一定的。本征半导体中载流子的浓度，除了与载流子浓度是一定的。本征半导体中载流子的浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与

17、温度有关。而且随着半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关。而且随着温度的升高，基本上呈指数规律增加。因此，半导体载流子温度的升高，基本上呈指数规律增加。因此，半导体载流子浓度对温度十分敏感。浓度对温度十分敏感。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结1.1.3 杂质半导体杂质半导体本征半导体的电阻率比较大，载流子浓度又小，且对温度变本征半导体的电阻率比较大，载流子浓度又小，且对温度变化敏感，因此用途很有限。在本征半导体中，人为地掺入少化敏感，因此用途很有限。在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素量其他元素(称杂质称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的，可以使半导体的导电性能发生

18、显著的变化。利用这一特性，可以制成各种性能不同的半导体器件，变化。利用这一特性，可以制成各种性能不同的半导体器件，这样使得半导体的用途大大增加。这样使得半导体的用途大大增加。掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体。根据掺人杂质性质的掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体。根据掺人杂质性质的不同，可分为两种：电子型半导体和空穴型半导体。不同，可分为两种：电子型半导体和空穴型半导体。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结载流子以电子为主的半导体叫电子型半导体，因为电子带负载流子以电子为主的半导体叫电子型半导体，因为电子带负电，取英文单词电，取英文单词“负负”（NegativeNegative）的第一

19、个字母）的第一个字母“N N”,所以电子型半导体又称为所以电子型半导体又称为N N型半导体。载流子以空穴为主的半型半导体。载流子以空穴为主的半导体叫空穴型半导体。取英文单词导体叫空穴型半导体。取英文单词“正正”（PositivePositive）的第）的第一个字母一个字母“P P”，空穴型半导体又称为，空穴型半导体又称为P P型半导体。下面以硅型半导体。下面以硅材料为例进行讨论。材料为例进行讨论。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结1.N型半导体型半导体在本征半导体中掺入五价元素在本征半导体中掺入五价元素(如磷、砷如磷、砷)使每一个五价元素使每一个五价元素原子取代一个四价元素原子在

20、晶体中的位置，可以形成原子取代一个四价元素原子在晶体中的位置，可以形成N N型半型半导体。掺入的元素原子有五个价电子，其中四个与硅原子结导体。掺入的元素原子有五个价电子，其中四个与硅原子结合成共价键，余下的一个不在共价键之内，掺入的五价元素合成共价键，余下的一个不在共价键之内，掺入的五价元素原子对它的束缚力很小。因此只需较小的能量便可将其激发原子对它的束缚力很小。因此只需较小的能量便可将其激发成为自由电子。由于掺入的五价元素原子很容易贡献出一个成为自由电子。由于掺入的五价元素原子很容易贡献出一个自由电子，故称为自由电子，故称为“施主杂质施主杂质”。掺入的五价元素原子提供。掺入的五价元素原子提供

21、一个电子一个电子(成为自由电子成为自由电子)后，它本身因失去电子而成为正离后，它本身因失去电子而成为正离子。子。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结这种杂质半导体以自由电子导电为主，因而称为电子型半导这种杂质半导体以自由电子导电为主，因而称为电子型半导体，或体，或N N型半导体。在型半导体。在N N型半导体中，由于自由电子是多数，型半导体中，由于自由电子是多数，故故N N型半导体中的自由电子称为多数载流子型半导体中的自由电子称为多数载流子(简称多子简称多子)，而空，而空穴称为少数载流子穴称为少数载流子(简称少子简称少子)。2.P型半导体型半导体当本征半导体中掺人三价杂质元素当本征半

22、导体中掺人三价杂质元素(如硼、稼如硼、稼)时，三价元素时，三价元素原子为形成四对共价键使结构稳定，常吸引附近半导体原子原子为形成四对共价键使结构稳定，常吸引附近半导体原子的价电子，从而产生一个空穴和一个负离子，故这种杂质半的价电子，从而产生一个空穴和一个负离子，故这种杂质半导体的多数载流子是空穴，因为空穴带正电，所以称为导体的多数载流子是空穴，因为空穴带正电，所以称为P P型半型半导体，也称为空穴半导体。导体，也称为空穴半导体。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结P P型半导体和型半导体和N N型半导体均属非本征半导体。其中多数载流子型半导体均属非本征半导体。其中多数载流子的浓度取

23、决于掺人的杂质兀索原子的密度的浓度取决于掺人的杂质兀索原子的密度;少数载流子的浓度少数载流子的浓度主要取决于温度主要取决于温度;而所产生的离子，不能在外电场作用下作漂而所产生的离子，不能在外电场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。移运动，不参与导电，不属于载流子。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结1.1.4 PN结结1.PN结的形成结的形成在在P P型和型和N N型半导体的交界面两侧，由于自由电子和空穴的浓型半导体的交界面两侧，由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊，所以度相差悬殊，所以N N区中的多数载流子自由电子要向区中的多数载流子自由电子要向P P区扩散区扩散;同时同时P

24、 P区中的多数载流子空穴也要向区中的多数载流子空穴也要向N N区扩散，并且当电子和区扩散，并且当电子和空穴相遇时，将发生复合而消失，如空穴相遇时，将发生复合而消失，如图图1 1一一5 5所示。于是，在所示。于是，在交界面两侧将分别形成不能移动的正、负离子区，正、负离交界面两侧将分别形成不能移动的正、负离子区，正、负离子处于晶格位置而不能移动，所以称为空间电荷区子处于晶格位置而不能移动，所以称为空间电荷区(亦称为内亦称为内电场电场)。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结由于空间电荷区内的载流子数量极少，近似分析时可忽略不由于空间电荷区内的载流子数量极少，近似分析时可忽略不计，所以也称

25、其为耗尽层。空间电荷区一侧带正电，另一侧计，所以也称其为耗尽层。空间电荷区一侧带正电，另一侧带负电，所以形成了内电场带负电，所以形成了内电场EinEin，其方向由，其方向由N N区指向区指向P P区。在内区。在内电场电场EinEin的作用下，的作用下，P P区和区和N N区中的少子会向对方漂移，同时内区中的少子会向对方漂移，同时内电场将阻止多子向对方扩散，当扩散运动的多子数量与漂移电场将阻止多子向对方扩散，当扩散运动的多子数量与漂移运动的少子数量相等，两种运动达到动态平衡的时候，空间运动的少子数量相等，两种运动达到动态平衡的时候，空间电荷区的宽度一定，电荷区的宽度一定，PNPN结就形成了。结就

26、形成了。空间电荷区的宽度一般都很薄，约为几微米至几十微米。由空间电荷区的宽度一般都很薄，约为几微米至几十微米。由于空间电荷区内几乎没有载流子，其电阻率很高于空间电荷区内几乎没有载流子，其电阻率很高。上一页 下一页返回1.1 半导体及半导体及PN结结2.PN结的单向导电性结的单向导电性在在PNPN结的两端引出电极，结的两端引出电极，P P区的一端称为阳极，区的一端称为阳极，N N区的一端称区的一端称为阴极。在为阴极。在PNPN结的两端外加不同极性的电压时，结的两端外加不同极性的电压时，PNPN结表现出结表现出截然不同的导电性能，称为截然不同的导电性能，称为PNPN结的单向导电性。结的单向导电性。

27、(1)(1)外加正向电压外加正向电压(P(P十十，N N-)时，时，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。当外加电压使当外加电压使PNPN结的阳极电位高于阴极时，称结的阳极电位高于阴极时，称PNPN结外加正向结外加正向电压或电压或PNPN结正向偏置结正向偏置(简称正偏简称正偏)，如，如图图1-61-6所示。图中实心点所示。图中实心点代表电子，空心圈代表空穴。此时，外加电场代表电子，空心圈代表空穴。此时，外加电场E Eoutout，与内电场，与内电场E Einin的方向相反，其作用是增强打散运动而削弱漂移运动。的方向相反，其作用是增强打散运动而削弱漂移运动。下一页返回上一页1.1 半导体及半导

28、体及PN结结(2)(2)外加反向电压外加反向电压(P(P-,N,N十十)时时,PN,PN结处于截止状态。结处于截止状态。当外加电压使当外加电压使PNPN结的阳极电位低于阴极时，称结的阳极电位低于阴极时，称PNPN结外加反向结外加反向电压或电压或PNPN结反向偏置结反向偏置(简称反偏简称反偏)，如，如图图1 1一一7 7所示。此时，外所示。此时，外加电场加电场E Eoutout，与内电场，与内电场E Einin的方向一致，并与内电场一起阻止扩的方向一致，并与内电场一起阻止扩散运动而促进漂移运动。其结果是使空间电荷区变宽，散运动而促进漂移运动。其结果是使空间电荷区变宽，PNPN结结呈现高电阻呈现高

29、电阻(一般为几千欧至几百千欧一般为几千欧至几百千欧)。下一页返回上一页1.1 半导体及半导体及PN结结由上可知，由上可知，PNPN结正偏时，正向电阻很小，正向电流较大，呈结正偏时，正向电阻很小，正向电流较大，呈导通状态；导通状态；PNPN结反偏时，反向电阻很大，反向电流非常小，结反偏时，反向电阻很大，反向电流非常小，呈截止状态。这就是呈截止状态。这就是PNPN结的单向导电性，它是一些二极管应结的单向导电性，它是一些二极管应用电路的基础。用电路的基础。需要指出的是，当反向电压超过一定数值后，反向电流将急需要指出的是，当反向电压超过一定数值后，反向电流将急剧增加，这种现象称为剧增加，这种现象称为P

30、NPN结的反向击穿，此时结的反向击穿，此时PNPN结的单向导结的单向导电性被破坏。电性被破坏。返回上一页1.2 半导体二极管半导体二极管在一个在一个PNPN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，就构成结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，就构成了半导体二极管。由了半导体二极管。由P P型半导体引出的电极，叫做正极型半导体引出的电极，叫做正极(或阳或阳极极)，由，由N N型半导体引出的电极，叫做负极型半导体引出的电极，叫做负极(或阴极或阴极)。通常用。通常用图图1-8 (c)1-8 (c)所示的图形符号表示。按照结构工艺的不同，二所示的图形符号表示。按照结构工艺的不同，二极管有点接触型和面接触型

31、两类。它们的管芯结构如极管有点接触型和面接触型两类。它们的管芯结构如图图1-8 1-8(a),(b)(a),(b)所示。所示。下一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 二极管的伏安特性二极管的伏安特性所谓伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管所谓伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线。二极管的伏安特性曲线可分为正向特性的电流的关系曲线。二极管的伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分。和反向特性两部分。其伏安特性曲线如其伏安特性曲线如图图1 1一一9 9所示所示下一页返回上一页1.2 半导体二极管半导体二极管1.正向特性正向特性当二极管加上很低

32、的正向电压时，外电场还不能克服当二极管加上很低的正向电压时，外电场还不能克服PNPN结内结内电场对多数载流子打散运动所形成的阻力，故正向电流很小，电场对多数载流子打散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。二极管呈现很大的电阻。当正向电压超过一定数值即死区电压后，内电场被大大削弱，当正向电压超过一定数值即死区电压后，内电场被大大削弱，电流增长很快，二极管电阻变得很小。死区电压又称闽值电电流增长很快，二极管电阻变得很小。死区电压又称闽值电压，硅管约为压，硅管约为0.6-0.7 V 0.6-0.7 V。锗管约为。锗管约为0.2-0.3 V0.2-0.3 V。下一页返回上一页1.2

33、半导体二极管半导体二极管2.反向特性反向特性二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，因而二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，因而形成很小的反向电流。反向电流有两个特性，一是它随温度形成很小的反向电流。反向电流有两个特性，一是它随温度的上升增长很快；二是在反向电压不超过某一数值时，反向的上升增长很快；二是在反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反向电压改变而改变，故这个电流称为反向饱和电电流不随反向电压改变而改变，故这个电流称为反向饱和电流。流。当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为电击

34、穿。单向导电性，这种现象称为电击穿。下一页返回上一页1.2 半导体二极管半导体二极管发生击穿的原因，一种是处于强电场中的载流子获得足够大发生击穿的原因，一种是处于强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，新的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，新产生的载流子在电场作用下获得足够能量后又通过碰撞产生产生的载流子在电场作用下获得足够能量后又通过碰撞产生电子空穴对。如此形成连锁反应，反向电流越来越大，最后电子空穴对。如此形成连锁反应，反向电流越来越大，最后使得二极管反向击穿。另一种原因是强电场直接将共价键的使得二极管反向击穿。另一种原因是强电场直接将共价

35、键的价电子拉出来，产生电子空穴对，形成较大的反向电流。二价电子拉出来，产生电子空穴对，形成较大的反向电流。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能。产生击穿时加在极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能。产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压二极管上的反向电压称为反向击穿电压U UBR.BR.下一页返回上一页1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.2 主要参数主要参数1.最大整流电流最大整流电流IF最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。当电流超过这个允许值时，二极管会因最大正向平均电流。当电流超过这个允许值

36、时，二极管会因过热而烧坏，使用时务必注意。过热而烧坏，使用时务必注意。2.反向峰值电压反向峰值电压URM它是保证二极管不被击穿而得出的反向峰值电压，一般是反它是保证二极管不被击穿而得出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的向击穿电压的1/2或或2/3。下一页返回上一页1.2 半导体二极管半导体二极管3.反向峰值电流反向峰值电流IRM它是指在二极管上加反向峰值电压时的反向电流值。反向电它是指在二极管上加反向峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明单向导电性能差，并且受温度的影响大。流大，说明单向导电性能差，并且受温度的影响大。二极管应用范围很广，都是利用它的单向导电性。它可用于二极管应用范围很广，

37、都是利用它的单向导电性。它可用于整流、检波、元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元整流、检波、元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元件。件。返回上一页1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用1.3.1整流应用整流应用利用二极管的单向导电性可以把大小和方向都变化的正弦交利用二极管的单向导电性可以把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电，如流电变为单向脉动的直流电，如图图1-101-10所示。这种方法简单、所示。这种方法简单、经济，在日常生活及电子电路中经常采用。根据这个原理，经济，在日常生活及电子电路中经常采用。根据这个原理，还可以构成整流效果更好的单相全波、单相桥式等

38、整流电路。还可以构成整流效果更好的单相全波、单相桥式等整流电路。1.3.2钳位应用钳位应用利用二极管的单向导电性在电路中可以起到钳位的作用。利用二极管的单向导电性在电路中可以起到钳位的作用。例例1.11.1在在图图1-111-11所示的电路中，已知输入端所示的电路中，已知输入端A A的电位为的电位为UA=3 UA=3 V,BV,B的电位的电位U UB B=0V=0V，电阻，电阻R R接接-12 V-12 V电源，求输出端电源，求输出端F F的电位的电位UFUF。下一页返回1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用解解:因为因为U UA AUUB B,所以二极管所以二极管D D1 1优

39、先导通，设二极管为理想元件，优先导通，设二极管为理想元件，则输出端则输出端F F的电位为的电位为U UF F=U=UA A=3 V=3 V。当。当D D1 1导通后，导通后，D D2 2上加的是反向上加的是反向电压，电压，D D2 2因而截止。因而截止。在这里，二极管在这里，二极管D D1 1起钳位作用，把起钳位作用，把F F端的电位钳位在端的电位钳位在3 V3 V；D D2 2起隔离作用，把输入端起隔离作用，把输入端B B和输出端和输出端F F隔离开来。隔离开来。下一页返回上一页1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用1.3.3限幅应用限幅应用利用二极管的单向导电性，将输入电压限

40、定在要求的范围之利用二极管的单向导电性，将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。内，叫做限幅。例例1.2 1.2 在图在图1-12 1-12（a a）所示的电路中，已知输入电压所示的电路中，已知输入电压 u ui i=10sinwt V=10sinwt V，电源电动势，电源电动势，E=5VE=5V，二极管为理想元件，二极管为理想元件，试画出输出电压试画出输出电压uouo的波形。的波形。下一页返回上一页1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用解解:根据二极管的单向导电特性可知，当根据二极管的单向导电特性可知，当u ui i5V5V时，二极管时，二极管D D截止，相当于开路，因电阻截

41、止，相当于开路，因电阻R R中无电流流过，故输出电压与输中无电流流过，故输出电压与输入电压相等；当入电压相等；当uiui5V5V时，二极管时，二极管D D导通，相当于短路，故导通，相当于短路，故输出电压等于电源电动势。所以，在输出电压输出电压等于电源电动势。所以，在输出电压u uo o的波形中，的波形中，5V5V以上的波形均被削去，输出电压被限制在以上的波形均被削去，输出电压被限制在5V5V以内，波形如以内，波形如图图1-12(b)1-12(b)所示。所示。下一页返回上一页1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用1.3.4稳压应用稳压应用在需要不高的稳定电压输出时，可以利用几个二极

42、管的正向在需要不高的稳定电压输出时，可以利用几个二极管的正向压降串联来实现。压降串联来实现。还有一种稳压二极管还有一种稳压二极管(又称单向击穿二极管又称单向击穿二极管)，以下简称稳压，以下简称稳压管，可以专门用来实现稳定电压输出。稳压管有不同的系列管，可以专门用来实现稳定电压输出。稳压管有不同的系列用以实现不同的稳定电压输出。用以实现不同的稳定电压输出。1.3.5开关应用开关应用在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用，因在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用，因为二极管只有单向导电性，可以相当于一个受外加偏置电压为二极管只有单向导电性，可以相当于一个受外加偏置电压控制的无触

43、点开关。控制的无触点开关。下一页返回上一页1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用如如图图1-13所示，为监测发电机组工作的某种仪表的部分电路。所示，为监测发电机组工作的某种仪表的部分电路。其中其中us是需要定期通过二极管是需要定期通过二极管D加人记忆电路的信号，加人记忆电路的信号，ui为为控制信号。当控制信号控制信号。当控制信号ui=10V时，时，D的负极电位被抬高，的负极电位被抬高，二极管截止，相当于二极管截止，相当于“开关断开开关断开”，us不能通过不能通过D；当；当ui=0V时，时，D正偏导通，正偏导通，us可以通过可以通过D加人记忆电路。此时加人记忆电路。此时二极管相当于

44、二极管相当于“开关闭合开关闭合”情况。情况。下一页返回上一页1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用1.3.6 二极管的识别与简单测试二极管的识别与简单测试1.二极管的极性判别二极管的极性判别有的二极管从外壳的形状上可以区分电极；有的二极管的极有的二极管从外壳的形状上可以区分电极；有的二极管的极性用二极管符号印在外壳上，箭头指向的一端为负极；还有性用二极管符号印在外壳上，箭头指向的一端为负极；还有的二极管用色环或色点来标志的二极管用色环或色点来标志(靠近色环的一端是负极，有色靠近色环的一端是负极，有色点的一端是正极点的一端是正极)。若标志脱落，可用万用表测其正反向电阻。若标志脱落，

45、可用万用表测其正反向电阻值来确定二极管的电极。值来确定二极管的电极。下一页返回上一页1.3 二极管基本电路及其应用二极管基本电路及其应用测量时把万用表置于测量时把万用表置于RX100RX100挡或挡或RXlRXl k k挡，不可以用挡，不可以用RXlRXl挡或尺挡或尺Xl0 kXl0 k挡，前者电流太大，后者电压太高，有可能对二极管造挡，前者电流太大，后者电压太高，有可能对二极管造成不利的影响。用万用表的黑表笔和红表笔分别与二极管两成不利的影响。用万用表的黑表笔和红表笔分别与二极管两极相连。对于指针式万用表，当测得电阻较小时，与黑表笔极相连。对于指针式万用表，当测得电阻较小时，与黑表笔相接的极

46、为二极管正极相接的极为二极管正极;测得电阻很大时，与红表笔相接的极测得电阻很大时，与红表笔相接的极为二极管正极。对于数字万用表，由于表内电池极性相反，为二极管正极。对于数字万用表，由于表内电池极性相反，数字表的红表笔为表内电池正极，实际测量中必须要注意。数字表的红表笔为表内电池正极，实际测量中必须要注意。对于数字万用表，还可以用专门的二极管挡来测量，当二极对于数字万用表，还可以用专门的二极管挡来测量，当二极管被正向偏置时，显不屏上将显不二极管的正向导通压降，管被正向偏置时，显不屏上将显不二极管的正向导通压降，单位是毫伏单位是毫伏(mV)(mV)。下一页返回上一页1.3 二极管基本电路及其应用二

47、极管基本电路及其应用2.性能测试性能测试二极管正、反向电阻的测量值相差愈大愈好，一般二极管的二极管正、反向电阻的测量值相差愈大愈好，一般二极管的正向电阻测量值为几百欧，反向电阻为几十千欧到几百千欧。正向电阻测量值为几百欧，反向电阻为几十千欧到几百千欧。如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路;若测量值若测量值均为零，则说明内部短路均为零，则说明内部短路;如测得正如测得正 反向电阻几乎一样大，反向电阻几乎一样大，这样的二极管已经失去单向导电性，没有使用价值了这样的二极管已经失去单向导电性，没有使用价值了。返回上一页1.4 特殊二极管特殊二极管1.4

48、.1 稳压管稳压管1.稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用稳压管是一种特殊的硅二极管，由于它在电路中与适当数值稳压管是一种特殊的硅二极管，由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似，的伏安特性曲线与普通二极管的类似，如图如图1 1一一1 14 4所示，所示，其差其差异是稳压管的反向特性曲线比较陡异是稳压管的反向特性曲线比较陡。下一页返回1.4 特殊二极管特殊二极管1.4.2 光电光电二二极管极管 光电二极管也是一种特殊二极管。它的特点是光电二极管也是一种特殊二极管。它的特点是:在电

49、路中它一在电路中它一般处于反向工作状态，当没有光照射时，其反向电阻很大，般处于反向工作状态，当没有光照射时，其反向电阻很大，PNPN结流过的反向电流很小结流过的反向电流很小;当光线照射在当光线照射在PNPN结上时就在结上时就在PNPN结及结及其附近产生电子空穴对，电子和空穴在其附近产生电子空穴对，电子和空穴在PNPN结的内电场作用下结的内电场作用下作定向运动，形成光电流。如果光的照度发生改变，电子空作定向运动，形成光电流。如果光的照度发生改变，电子空穴对的浓度也相应改变，光电流强度也随之改变。穴对的浓度也相应改变，光电流强度也随之改变。光电二极管的管壳上有一个玻璃光电二极管的管壳上有一个玻璃口

50、口，以便接受光照，光电二以便接受光照，光电二极管的伏安特性曲线及图形符号如极管的伏安特性曲线及图形符号如 图图1 1-1 15 5所示所示下一页返回上一页1.4 特殊二极管特殊二极管1.4.3 发光发光二二极管极管发光二极管发光二极管(LED)(LED)的工作原理与光电二极管相反。由于它采用的工作原理与光电二极管相反。由于它采用砷化稼、磷化稼等半导体材料制成，所以在通过正向电流时，砷化稼、磷化稼等半导体材料制成，所以在通过正向电流时，可可由电子与空穴的直接复合而发出光来。由电子与空穴的直接复合而发出光来。图图1-11-16 6所示所示为发光为发光二极管的图形符号及其正向导通发光时的工作电路二极