晶体二极管及其应用电路
第二讲 半导体二极管及应用
导通:u 导通 D=Uon+ID×rD 截止: 截止 iD=0
2、交流小信
Q
UD
ID
id
+
id
+ -
uD =UD +ud
uD
-
rd
ud
交流小信号模型
当在二极管的工作点上叠加有低频交流小信号电压ud时， 只要工作点选择合适， 足够小，可将Q点附近的伏安特性 只要工作点选择合适，且ud足够小，可将 点附近的伏安特性 线性化)， 曲线看成直线(线性化 曲线看成直线 线性化 ，则交流电压与电流之间的关系可用一 来近似。 个线性电阻rd来近似。 rd ——工作点处的交流电阻。 rd = UT / ID 工作点处的交流电阻。 ★注意：小信号模型只能反映交流电压和电流之间的关系， 注意：小信号模型只能反映交流电压和电流之间的关系， 不能反映总的电压与电流的关系。 不能反映总的电压与电流的关系。
3、二极管的伏安特性曲线与材料和温度的关系： 二极管的伏安特性曲线与材料和温度的关系： iD 锗 硅 iD 80 20
0
uD
0
uD
材 料 硅 锗
导通 反向饱 开启 电压 压降 和电流 0.5V 0.6~0.8V <1A 0.1V 0.2~0.3V 几十 几十A
温度升高， 增大(1倍 ° 温度升高， IS增大 倍/10°C) 下降， 温度升高， 温度升高，Uon下降， 正向曲线左移2~2.5mV/ °C。 正向曲线左移 。
IZ
电击穿有两种： 电击穿有两种： 雪崩击穿 齐纳击穿
击穿 低掺杂的 高掺杂的 结 结 原因 PN结， PN结，价 价电子被 电子被场 碰撞电离 致激发 如果反向击穿时，电流过大， 如果反向击穿时，电流过大，使 >6V <4V 击穿 管子消耗的平均功率超过二极管 电压 容许值，会使管子过热而烧毁， 容许值，会使管子过热而烧毁， >0 <0 温度 为不可逆击穿。 称为热击穿，为不可逆击穿。 电击穿可利用，热击穿需避免。 *电击穿可利用，热击穿需避免。 系数
晶体二极管在电路中常用
晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如： D5表示编号为5的二极管。
1、作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。
正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。
电话机里使用的晶体二极管按作用可分为：整流二极管（如1N4004）、隔离二极管（如1N4148）、肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。
2、识别方法：二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。
发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。
3、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。
4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下：型号 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007 耐压（V） 50 100 200 400 600 800 1000电流（A）均为1电容是一种我们经常使用到的电子元件，电容器是一种能储存电荷的容器．它是由两片*得较近的金属片，中间再隔以绝缘物质而组成的．按绝缘材料不同，可制成各种各样的电容器.如：云母．瓷介．纸介，电解电容器等．常用电容按介质区分有纸介电容、油浸纸介电容、金属化纸介电容、云母电容、薄膜电容、陶瓷电容、电解电容等。
纸介电容用两片金属箔做电极，夹在极薄的电容纸中，卷成圆柱形或者扁柱形芯子，然后密封在金属壳或者绝缘材料（如火漆、陶瓷、玻璃釉等）壳中制成。
它的特点是体积较小，容量可以做得较大。
但是有固有电感和损耗都比较大，用于低频比较合适。
晶体管的特性与应用
特性
适用范围
超快速二极管
反向恢复时间较短，正向压降 主要应用在开关电源中作高 较低，反向击穿电压（耐压值） 频整流、续流元件，高频电 较高 路中的限幅、嵌位等
萧特基二极管 耐压比较低，反向漏电流比 主要应用在高频低压电路
较大，反向恢复时间较短， 开关损耗小 中
整流二极管
允许通过的电流比较大，反 广泛应用于处理频率不高 向击穿电压比较高，但PN结 的电路中 电容比较大
限幅元件
正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为 0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元 件，可以把信号幅度限制在一定范围内。用于 电压波动较大的地方。
UPS中电压波动较大的地 方有市电侦测，电池电压 侦测，温度侦测等，所以 在送入单片机检测端时须 限幅，厂内一般使用 IN4148( 0.15A 75V) 、作为 限幅元件。
1 2 3
三极管的特性与应用
晶体三极管又称双极器件（Bipolar Junction Transistor,用BJT表示），它的基本组成部分是 两个靠得很近且背对背排列的PN结。根据排列 的方式不同，晶体三极管分为NPN和PNP两种 类型。晶体三极管和晶体二极管一样都是非线 性器件，但它们的主要特性却截然不同。晶体 二极管的主要特性是单向导电性，而晶体三极 管的主要特性则与其工作模式有关。
肖特基二极管其主要特点是正向导通压降小 （约0.45V），反向恢复时间短和开关损耗小， 存在的问题是耐压比较低，反向漏电流比较大。 目前应用在功率变换电路中的肖特基二极管的 大体水平是耐压在150V以下，平均电流在 100A以下，反向恢复时间在10～40ns。肖特基 二极管应用在高频低压电路中，是比较理想的。
晶体管开关损耗 △P ＝ ic * uc
半导体二极管及其基本应用电路(12)
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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。
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• 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，
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第 1章
半导体二极管及其基本应用电路
晶体二极管及其应用
模块1 晶体二极管及其应用【任务导入】随着科学水平的提高，新颖的电子产品不断涌现，如大家熟悉的手机、平板电脑、数码相机等。
它们的出现极大地丰富了我们的文化娱乐生活，这些电子产品都要求电源提供稳定且符合规定数值要求的直流电压。
常用的供电方式有两种：一种是使用市电的直流低压电源，另一种是使用干电池。
干电池又有一次性干电池和可充式干电池之分。
可充式干电池具有可以重复使用的特点，学习本模块内容后，我们可以制作充电器，既能对两节5号或7号可充干电池充电，又能在输出插口中输出一稳定的直流电压，电压的范围为1.5～6V，可自由选择，最大输出电流约为200mA。
导入图1-1所示为充电器的实物图。
导入图1-1 充电器实物图1晶体二极管的使用✧通过实验或演示，了解晶体二极管的单向导电性。
了解晶体二极管的结构、电路符号、引脚判别、伏安特性、主要参数，能在实践中合理使用晶体二极管。
✧了解硅稳压管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等特殊二极管的外形、特征、功能和实际应用。
能用万用表判别二极管极性和质量优劣。
晶体二极管简称二极管，是电子器件中最普通、最简单的一种，其种类繁多，应用广泛。
全面了解、熟悉晶体二极管的结构、电路符号、引脚、伏安特性、主要参数，有助于对电路进行分析。
认识各种二极管的外形特征，对它们有个初步的印象，并熟悉各类二极管的电路符号。
电路符号是电子元器件在电路图中“身份”的标记，它包含大量的识图信息，我们必须牢牢掌握它。
电子技术基础与技能（电气电力类）（第2版）2一、半导体及PN 结半导体器件是在20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、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，在现代电子技术中得到了广泛的应用。
1．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大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
通常将很容易导电、电阻率小于10-4Ω·cm 的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω·cm 的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-4～1010Ω·cm 范围内的物质，称为半导体。
第一章 晶体二极管及应用电路
第一章晶体二极管及应用电路§1.1 知识点归纳一、半导体知识1．本征半导体·单质半导体材料是具有4价共价键晶体结构的硅（Si）和锗（Ge）（图1-2）。
前者是制造半导体IC的材料（三五价化合物砷化镓GaAs是微波毫米波半导体器件和IC的重要材料）。
·纯净（纯度>7N）且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。
在一定的温度下，本征半导体内的最重要的物理现象是本征激发（又称热激发或产生）（图1-3）。
本征激发产生两种带电性质相反的载流子——自由电子和空穴对。
温度越高，本征激发越强。
+载流子。
空穴导电的本质是价电子依次填补本征晶格·空穴是半导体中的一种等效q+电荷的空位宏观定向运动（图1-4）。
中的空位，使局部显示q·在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。
复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。
2．杂质半导体·在本征硅（或锗）中渗入微量5价（或3价）元素后形成N型（或P型）杂质半导体（N型：图1-5，P型：图1-6）。
·在很低的温度下，N型（P型）半导体中的杂质会全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴和杂质负离子对）。
·由于杂质电离，使N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴，而P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。
·在常温下，多子>>少子（图1-7）。
多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；两少子浓度是温度的敏感函数。
·在相同掺杂和常温下，Si的少子浓度远小于Ge的少子浓度。
3．半导体中的两种电流在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电流（这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度差而产生的扩散电流。
4．PN结·在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，会形成一个特殊的薄层——PN 结（图1-8）。
(二极管及其应用)
t t
u2负半周时： D2、D4 导通， D1 、D3截止
+
220V u1
+
D4
u2 3
+ D3
2
4
D1
1
D2
+
+
RL u L
-
+
u2
t
uL
t
（3）主要参数：
输出电压平均值：Uo=0.9u2 输出电流平均值:Io= Uo/Ro=0.9 u2 / RL
（4） 最高工作频率
是二极管工作fM的上限频率。它主要由PN结的结电
f
容大小决定。信号频率超过此值时，二极管的单向导电 M性将变差。应该指出，由于制造工艺的限制，即使是同
一型号的器件，其参数的离散性也很大，因此，手册上
常常给出参数的范围。另一方面，器件手册上给出的参
数是在一定测试条件下测得的，若条件改变，相应的参 数值也会变化。
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
P
空间电 荷区
N
在一定的温度－ 下－ － －
++ ++
，由本征激发产－生的－ － －
++ ++
少子浓度是一定的， 故IR基本上与外－加反－ － －
本征激发
+4 空穴 +4
+4
+4
+4 +4
+4
+4
自由电子
电子技术教考分离试题库.
<< 电子技术>>教考分离试题库第一部分：选择题部分第一章晶体二极管及其应用1．为使PN结正向偏置，就使P区接电源（），N区接电源（）A．正极、负极 B。
负极、正极C．正极、正极 D。
负极、负极2．在下图所示电路中，稳压管Dw1和Dw2的稳压值分别为6V和7V，且工作在稳压状态，由此可知输出电压UO为（）。
A．6V B。
7V C。
0V D。
1V第二章晶体三极管及放大电路3．若分别测得放大电路中的NPN型硅管各极电位如下图所示，则管脚①②③分别为电极（）A．c、b、e B.e、c、b C.b、c、e D.b、e、c4．如下图所示各电路中，处于放大状态的三极管是（）5．为了消除基本共射放大电路的饱和失真，应（）A．减小基极偏置电阻 B。
增大基极偏置电阻C．减小集电极偏置电阻 D。
增大集电极偏置电阻6．温度升高时，三极管的部分参数的变化规律是（）A．β↑、ICEO ↑、UBE↑ B。
β↑、ICEO↑、UBE↓C．β↓、ICEO ↑、UBE↑ D。
β↑、ICEO↓、UBE↓18. 以下哪些不属于引入负反馈后对电路的影响（）A．使放大电路的放大倍数减小B．使放大电路通频带展宽C．改变放大电路的输入输出电阻D．使放大电路放大倍数增大19. 由NP管组成的基本共射放大电路，输入信号为正弦波，输出电压出现顶部被削平的失真这种失真是（）A．饱和失真 B。
频率失真 C。
截止失真 D。
以上均不定第三章场效应管放大电路7．表征场效应管放大能力的重要参数是（）A．夹断电压Up B。
低频互导（跨导）gmC．饱和漏极电流IDSS D。
最大栅源电压BUGS8．源极输出器类似于（）A．共发射极放大电路 B。
共基极放大电路 C．共集电极放大电路 D。
共漏极放大电路9．N沟道结型场效应管处于放大状态要求（）A．UGS >0 B。
UGS=0 C。
UGS<0 D。
UDS=0第四章正弦波振荡电路10．LC正弦波振荡电路起振的振幅条件是（）A．︱AF︱=0 B.︱AF︱=1 C.︱AF︱<1 D. ︱AF︱>111．采用石英晶体振荡电路的主要目的是（）A．提高输出信号幅度 B。
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本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
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3. 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。
(1) N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，砷等，称为N型半导体。
本征半导体的共价键结构
+4
+4
+4
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都紧紧束缚
+4
+4
+4
在共价键中，不会成为自 由电子，因此本征半导体
+4
+4
+4
的导电能力很弱，接近绝
束缚电子
缘体。
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+4
+4 +4
+4
+4 +4
空穴
自由电子
+4
+4 +4
当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由 电子。
－ － －－
++ + +
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——本征激发产生，与温度有关 多子浓度——掺杂产生与，温度无关
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1.2.1 PN结
1 . PN结的形成
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区
形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4
+4 +4 +3 +4 +4 +4
多数载流子—— 空穴
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电子空穴对 P型半导体
空穴
－ － －－
－ － －－
－ － －－
受主离子 少数载流子——自由电子
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杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
(1) 点接触型二极管
PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。
金 属触 丝 正 极引 线
负 极引 线
外壳
N型 锗
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晶体二极管及其应用电路
第1章 半导体二极管及其应用
本章要点: 半导体基础知识 PN结单向导电性 半导体二极管结构、符号、伏安特性及应用 特殊二极管
本章难点: 半导体二极管伏安特性 半导体二极管应用
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1.1 PN结
在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导 体、绝缘体和半导体。
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N型半导体
硅原子 + 4
多余电子
+4
磷原子
+4
+4
+4
电子空穴对 自由电子
N型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
+4 +4
++ + +
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多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴
施主离子
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(2) P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
少子漂移电流
多子扩散电流
动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流 总电流＝0
势垒 UO
硅 0.5V 锗 0.1V
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2. PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动
→多子扩散形成正向电流I F
PN结加反向电压时，具有很小的反向
漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。
由此可以得出结论：PN结具有单向导
电性。
动画演示
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1.2 半导体二极管
1.2.1 基本结构、种类与符号
1.结构 二极管 = PN结 + 管壳 + 引线
P
N
符号
+
-
阳极
阴极
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2.二极管按结构分三大类：
自由电子
+4 +4
在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。
常温300K时： 电子空穴对的浓度 硅：1.41010cm3
锗：2.51013cm3
7
导电机制
－ +4
E
＋
+4
+4 自由电子
+4 +4 +4
+4 +4 +4
自由电子 带负电荷 逆电场运动 电子流 载流子
P
空间电荷区
N
－ － －－
++ ++
在一定的温度下，由本征激
－ － －－
发产生的少子浓度是一定的， 故IR基本上与外加反－ 压的－大小－ －
++ ++ ++ ++
IR
无关，所以称为反向饱和电流 内电场 E
。但IR与温度有关。
EW
R
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PN结加正向电压时，具有较大的正向
扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；
典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
si
硅原子
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GG eeຫໍສະໝຸດ + 44锗原子
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
3
１.１.１ 半导体基础知识
动画演示
1.半导体特性
导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。
(1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。 当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用 热敏性可制成热敏元件。
动画演示
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
正向电流
－ － －－
++ ++
内电场 E
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EW
R
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(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。
动画演示
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
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+4
+4
空穴
+4
电子空穴对
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可见本征激发同时产生
电子空穴对。
+4
+4
外加能量越高（温度
越高），产生的电子空
穴对越多。
与本征激发相反的
+4 +4
现象——复合
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
少子漂移电流
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耗尽层
多子扩散电流
13
少子漂移
－
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E
多子扩散
又失去多子，耗尽层宽，E
内电场E
动画演示
P型半导体 耗尽层 N型半导体
－ －－ + + + +
－ － －－ + + + +
－ － －－ + + + +
(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增 强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光 敏元件。
(3)掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂 质影响极大，称为掺杂性。
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4
2. 本征半导体
本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常 称为“九个9”。