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1、模拟电子技术模拟电子技术欢迎大家欢迎大家主主 讲讲:黄黄 金金 萍萍E-Maill 153082386qq电电 话话:13570692199第一章第一章 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路珠海城市职业技术学院学习要点半导体的基本知识半导体二极管的特性及参数半导体二极管模型特殊二极管二极管的应用二极管的检测方法珠海城市职业技术学院一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识1.什么是半导体什么是半导体 物质按导电能力强弱不同可分为物质按导电能力强弱不同可分为导体、绝缘体和半导体、绝缘体和半导体导体三大类。三大类。导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质导电能力介于导体和绝缘体之间

2、的一类物质目前制造半导体器件用得最多的是目前制造半导体器件用得最多的是硅硅和和锗锗两种材料两种材料 1.1 半导体二极管2.2.半导体的导电特性半导体的导电特性（1）热敏特性）热敏特性（2）光敏特性）光敏特性（3）掺杂特性）掺杂特性 珠海城市职业技术学院半导体材料具有以下一些独特的导电特性：l（1）杂敏性杂敏性 l在纯净的半导体材料中掺入某种微量的元素(如硼和磷等)后，其导电能力将猛增几万倍甚至百万倍。l（2）光敏性）光敏性l有的半导体材料在无光照时电阻率很高，而一旦受到光线照射后电阻率即显著下降。l（3）热敏性热敏性 l所谓热敏性是指半导体的电导率随温度升高(例如受热辐射)而显著增大的特性，

3、即温度升高其导电能力大大加强。温度对半导体材料的导电性能影响很大。3、本征半导体本征半导体l本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体l 4(a)32(b)4 14图1-1 原子结构示意图 (a)硅 (b)锗 图1-2 本征半导体的共价键结构本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子电子和空穴电子和空穴载流子可以自由移动的带电粒子。电导率与材料单位体积中所含载流子数 有关，载流子浓度越高，电导率越高。电子空穴对电子空穴对 当T=0K和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子本证激发。自由电

4、子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征激发动画1-1空穴空穴返回4、杂质半导体杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4（1）N型半导体型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑)多余电子，多余电子，成为自由电子成为自由电子+5自由电子自由电子 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。返回+5N型半

5、导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3（2）P型半导体型半导体（空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴空穴空穴空穴返回 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导

6、体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2.P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关5.PN结的形成结的形成 图 1-5 载流子的扩散 图 1-6 PN 结的形成+P型半导体+N型半导体+6.PN结的单向导电性结的单向导电性a)b)图图1-2 PN结单向导电性实验电路结单向导电性实验电路a)PN结加正向电压结加正向电压 b)PN结加反向电压结加反向电压PN结电阻很小PN结电阻很大发光不发光PN结的单向导电性结的单向

7、导电性(1)加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形

8、成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下在一定的温度下，由本征激发产生的，由本征激发产生的少子浓度是一定的，少子浓度是一定的，故故IR基本上与外加反基本上与外加反压的大小无关压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但但IR与温度有关。与温度有关。结论结论:PN结加正向电压结加正向电压“正向偏置正向偏置”，简称，简称“正偏正偏”P区接电源正极，区接电源正极，N区接电源负极区接电源负极PN结电阻很小，正向导通结电阻很小，正向导通（2）PN结加反向电压结加反向电压“反向偏置反向偏置”，简称，简称“反反偏偏”P区接

9、电源负极，区接电源负极，N区接电源正极区接电源正极PN结电阻很大，反向截止结电阻很大，反向截止二、半导体二极管二、半导体二极管1.二极管的结构、图形符号和型号二极管的结构、图形符号和型号（1）结构和图形符号）结构和图形符号管壳PN结 a)b)图图1-3 二极管的结构和图形符号二极管的结构和图形符号a)结构结构 b)图形符号图形符号图图1-4 几种常见二极管的外形几种常见二极管的外形 二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。(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。(2)面接触型二极管 PN结面积大，用于大电流整流电路。半导体二极管的结构三、三、二极管的伏安特性二

10、极管的伏安特性 加在二极管两端的电压与通过二极管电流之间的关系称为二极管的伏安特性，可用曲线表示。图图1-5 二极管的伏安特性二极管的伏安特性（1）正向特性）正向特性指二极管加正向电压（二极管正极接高电位，负极接低电位）时的特性。当正向电压小于某一数值（该电压称为“死区电压死区电压”或“门坎电门坎电压压”，硅管硅管为为0.5V，锗管锗管为为0.2V）时，通过二极管的电流很小几乎为零。当正向电压超过死区电压时，电流随电压的升高而明显的增加，此时二极管进入导通状态。二极管导通后二极管两端的电压几乎不随电流的大小而变化，此时二极管两端电压称为导通管压降导通管压降，用UT表示，硅管硅管为为0.7V，锗

11、管锗管为为0.3V。二极管加正向电压时并不一定能导通，必须是正向电压达到和超过死区电压时，二极管才能导通。注意：注意：（2）反向特性）反向特性二极管加反向电压（二极管正极接低电位，负极接高电位）时的特性。当反向电压小于某值（此电压称为反向击穿电压反向击穿电压UBR）时反向电流很小，并且几乎不随反向电压而变化，该反向电流叫“反向饱和电流反向饱和电流”，简称“反向电流反向电流”，用IR表示。通常硅管硅管的反向电流在几十微安以下几十微安以下，锗锗管管的反向电流可达几百微安几百微安。在应用时反向电流越小，二极管的质量越好。当反向电压增加到反向击穿电压UBR时，反向电流急剧增大，这种现象称为“反向击穿反

12、向击穿”。反向击穿破坏了二极管的单向导电性，如果没有限流措施，二极管可能因电流过大而损坏。注意：注意：二极管加反向电压时不能导通，但反向电压达到反向击穿电压（很高的反向电压）时，二极管会反向击穿。在使用二极管时，电路中应该串联适当的限流电阻，以免因电流过大而损坏二极管。二极管的伏安特性方程：(1)DTvVDSiIesIDv式中：为反向饱和电流，为二极管两端的电压TV为温度的电压当量,当T=300K时,TV=26mVDTvVDSiI e(1)正向特性正向特性 (2)反向特性反向特性DSiI 表表1-1 二极管的型号各组成部分的含义二极管的型号各组成部分的含义第一部分（数字）第一部分（数字）第二部

13、分第二部分(拼音拼音)第三部分第三部分(拼音拼音)第四部分第四部分(数字数字)第五部分第五部分(拼音拼音)电极数材料和极性类型序号规格号（表示反向峰值电压的档次）符号意义符号意义符号意义2二极管AN型锗材料P普通管BP型锗材料W稳压管CN型硅材料Z整流管DP型硅材料U光电管K开关管C参量管L整流堆S隧道管例如2AP7表示N型锗普通二极管，2DZ56C表示P型硅整流二极管，规格号为C。四、二极管的使用常识1、二极管的型号半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：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

14、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。2、二极管的主要参数、二极管的主要参数（1）最大整流电流）最大整流电流 IF 在规定散热条件下，二极管长期使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。由 PN 结的面积和散热条件决定，如果电流超过这个值，很可能烧坏二极管。（2）最高反向工作电压）最高反向工作电压 URM 二极管工作时允许加的最大反向电压。为确保管子安全运行，通常规定URM约

15、为击穿电压UBR的一半。半导体二极管的半导体二极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗：0.1 V(1)正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2)反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3Vl 在规定的环境温度下，二极管加上最大反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性能越好。反向电流 IR是由少数载流子运动形成的，因此，它受温度的影响较大。（4）最高工作频率 l 是二极管工作的上限频率。它主要由PN结的结电容大小决定。信号频率超过此值时，二极管的单

16、向导电性将变差。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。MfMf（3）最大反向电流最大反向电流 IR3、二极管的直流电阻和交流电阻 （1）直流电阻RDIURDIUrd（2）交流电阻rdddIr26由PN结方程也可求 4、二极管的测试：二极管的测试：用指针型万用表测试二极管用指针型万用表测试二极管 指针型万用表的指针型万用表的红表笔红表笔是连接到万用表内置电池的是连接到万用表内置电池的负极负极、黑表黑表笔连接到电池的笔连接到电池的正极正极。两

17、次测得的阻值应相差极大，如下图所示。两次测得的阻值应相差极大，如下图所示。a)正向导通正向导通 b)反向截止反向截止图图1-5 指针型万用表测试二极管指针型万用表测试二极管若两次测得的阻值均很小或为若两次测得的阻值均很小或为0，表明管子内部已经短路；若两次测得的阻，表明管子内部已经短路；若两次测得的阻值都极大，则表明管子内部已经断路或烧坏；若测得的反向电阻与正向电阻值都极大，则表明管子内部已经断路或烧坏；若测得的反向电阻与正向电阻相差不大，则说明管子的反向漏电过大，失去了单向导电性。相差不大，则说明管子的反向漏电过大，失去了单向导电性。选用二极管的一般原则是：选用二极管的一般原则是：l(1)要

18、求导通后正向压降小时应选择锗管；要求反向电流小时应选硅管。(2)要求工作电流大时选面接触型；要求工作频率高时选点接触型。(3)要求反向击穿电压高时选硅管。(4)要求耐高温时选硅管。1.2 半导体二极管的模型半导体二极管的模型l半导体二极管是一种非线性器件 l1.理想二极管模型理想二极管模型(a)伏安特性曲线 (b)代表符号(c)正向偏置时的电路模型 (d)反向偏置时的电路模型图1-13 理想模型例1.1 电路如图1-14所示。三只性能相同的二极管 D1、D2、D3和三只220V，40W 的灯泡 L1、L2、L3互相连接后，接入220V的交流电压u后。试分析哪只(或哪些)灯泡发光最亮？哪只(或哪

19、些)二极管承受的反向电压峰值最大？分析：二极管导通时，正向电压降很小，与之并联的灯泡几乎被短路，不会发光；二极管截止时，与承受反向电压峰值最大的二极管相并联的那些灯泡发光才最亮。解：当交流电压u为正半周时，D2正向偏置，D1与 D3反向偏置，各承受约u/2的反向电压，峰值为110V。当u为负半周时，只有 D2一只二极管反向偏置，要承受的反向电压峰值约为220V。故L2发光最亮，D2承受的反向电压峰值最大。图1-14 例1.1电路一 整流电路 1、作用作用:把交流电转换成脉动直流电把交流电转换成脉动直流电.半波整流半波整流 2、分类、分类:全波整流全波整流 桥式整流桥式整流 倍压整流倍压整流1.

20、3 半导体二极的应用半导体二极的应用1、单相半波整流电路 单相半波整流电路如图(a)所示波形图如图（b)所示。(a)电路图 (b)波形图 单相半波整流电路 根据图10.1.1可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为2202LO45.02)d(sin221UUttUUUL2L2oD45.02RURUII流过负载和二极管的平均电流为2Rmax2UU二极管所承受的最大反向电压 2、桥式整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路）组成：由四个二极管组成桥路+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4u2正半周时正半周时:D1、D3导通导通

21、，D2、D4截止截止+（2）工作原理：）工作原理：u2ttuL+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4-+u2负半周时：负半周时：D2、D4 导通导通，D1、D3截止截止u2ttuL输出电压平均值：输出电压平均值：Uo=0.9u2输出电流平均值输出电流平均值:Io=Uo/Ro=0.9 u2/RL 流过二极管的平均电流：流过二极管的平均电流：ID=Io/2u2ttuL（3）主要参数：）主要参数：二极管承受的最大反向电压：二极管承受的最大反向电压：URM=22u+41232+43DuuDDL21LDR-集成硅整流桥：集成硅整流桥：u2uL+-+io +uo=uc RLV1V4V3V2

22、+u 二二 滤波电路滤波电路电容滤波电容滤波V 导通时给导通时给 C 充电，充电，V 截止时截止时 C 向向 RL 放电放电；1.电路和工作原理电路和工作原理滤波后滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。的波形变得平缓，平均值提高。电容电容充电充电电容电容放电放电C电容滤波电路2.波形及输出电压波形及输出电压2O2U U 当当 RL=时：时：O tuO 2 22U当当 RL 为有限值时：为有限值时：2O229.0UUU 通常取通常取 UO=1.2U2RC 越大越大 UO 越大越大2)53(LTCR RL=为获得良好滤波效果，一般取：为获得良好滤波效果，一般取：(T 为输入交流电压的周期为输入

23、交流电压的周期)元件选择元件选择 (1)电容选择电容选择:滤波电容滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常的大小取决于放电回路的时间常数数,RLC愈大愈大,输出电压脉动就愈小输出电压脉动就愈小,通常取通常取RLC为脉动电压中为脉动电压中最低次谐波周期的最低次谐波周期的35倍倍,即即TCTCRRLL)53(2)53(（桥式、全波）（半波）(2)整流二极管的选择。正向平均电流为 IIIIOVOV21例：例：单相桥式电容滤波整流，交流电源频率单相桥式电容滤波整流，交流电源频率 f=50 Hz，负载负载电阻电阻 RL=40 ，要求直流输出电压，要求直流输出电压 UO=20 V，选择，选择整流二极整流二极

24、管管及及滤波电容。滤波电容。解解 1.选二极管选二极管V 172.1202.1O2 UU2RM2UU 选二极管应满足：选二极管应满足：IF (2 3)ID可选：可选：2CZ55C(IF =1 A，URM =100 V)或或 1 A、100 V 整流桥整流桥电流平均值：电流平均值：A0.2540 20212121LOOD RUII承受最高反压：承受最高反压：V 2422RM UU2.选滤波电容选滤波电容s 02.05011 fTs 04.024 L TCR取取F 0001 40s 0.04 C可选可选：1 000 F，耐压，耐压 50 V 的电解电容。的电解电容。分析题：分析题：单相桥式整流电容

25、滤波电路，已知变压器付边电压为单相桥式整流电容滤波电路，已知变压器付边电压为20V，负载，负载RL为为10K，（1）当电路正常时，用万用表测得电路的输出电压应为多少？）当电路正常时，用万用表测得电路的输出电压应为多少？（2）若用万用表测得电压为）若用万用表测得电压为28V，则电路故障何在？，则电路故障何在？（3）若用万用表测得电压为若用万用表测得电压为18V，则电路故障何在？，则电路故障何在？（4）若用万用表测得电压为）若用万用表测得电压为20V，则电路故障何在？，则电路故障何在？（4）若用万用表测得电压为）若用万用表测得电压为9V，则电路故障何在？，则电路故障何在？（5）若测得负载上的电压为

26、）若测得负载上的电压为0，如何分析？，如何分析？1.4特殊二极管特殊二极管 稳压管稳压管变容二极管变容二极管光电二极管光电二极管发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管1.4.1 稳压管稳压管一、硅稳压管及其伏安特性一、硅稳压管及其伏安特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿后具有稳压特性反向击穿后具有稳压特性a k特性特性IUOUZIZminIZM UZ IZ IZ+特点：特点：*正向特性与普通二极相同正向特性与普通二极相同*反向击穿特性较陡反向击穿特性较陡*反向击穿电压反向击穿电压 几几 几十几十V，在允许范围内为电击穿在允许范围内为电击穿二、主要参数二、主要参数1.稳定电压稳定电压 UZ

27、 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 IUOUZIZminIZM UZ IZ IZ5.稳定电压温度系数稳定电压温度系数 CT%100ZZTV TUUC一般，一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0(为雪崩击穿为雪崩击穿)具有正温度系数；具有正温度系数；4 V

28、UZ 7 V，CTV 很小。很小。表表1.4.1 几种硅半导体稳压二极管的主要参数几种硅半导体稳压二极管的主要参数 参数参数型号型号UZ/VIZ/mAIZM /mArZ/CTV/(%/C)PZM/W2CW552CW712DW7A*6.2 7.535 405.8 6.61031033630 15 100 25 0.06 0.10 0.050.250.250.25具有温度补偿的具有温度补偿的2DW系列系列123正温度正温度系数系数负温度负温度系数系数2DW1 2 3对应对应正极正极三、使用稳压管注意事项三、使用稳压管注意事项必须工作在反向偏置必须工作在反向偏置(利用正向特性稳压除外利用正向特性稳压

29、除外)。工作电流应在工作电流应在 IZ 和和 IZM之间。之间。串联使用时，稳压值等于各管稳压值之和。串联使用时，稳压值等于各管稳压值之和。不能并联使用，以免因不同管子稳压值的差不能并联使用，以免因不同管子稳压值的差异造成电流分配不均匀，引起管子过载损坏。异造成电流分配不均匀，引起管子过载损坏。三、使用注意事项三、使用注意事项1.稳压时必须稳压时必须反反向向偏偏置；置；2.必须串接必须串接限流限流电阻，以保证电阻，以保证 IZ I IZM。3.反向击穿电压较普通二极管小，反向击穿电压较普通二极管小，几几 几十几十V。串联使用时稳压值为各管稳压值之和；串联使用时稳压值为各管稳压值之和；不能不能并

30、联并联使用，以免因电流分配不均引起过载使使用，以免因电流分配不均引起过载使管子损坏。管子损坏。1.4.2 发光二极管发光二极管(LED)1.符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置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 2.5)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：光学参数：峰值波长峰值波长 P，亮度亮度 L，光通量光通量 发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿不可见光：不可见光：红外光红外光符号符号u/Vi /mAO1.2特性特性材料：材料：砷化镓砷化镓，磷化镓，磷化镓 等等3.显示类型显示类型普

31、通普通 LED七段七段 LED点阵点阵 LED4.特点特点体积小、发光均匀稳定、亮度较高、响应快、寿命长体积小、发光均匀稳定、亮度较高、响应快、寿命长工作电压工作电压UF低低(约约 2 V)，工作电流小，工作电流小IF(可取可取 10 mA)5.应用应用显示、光电传输系统、与光电管构成光电耦合器件显示、光电传输系统、与光电管构成光电耦合器件发射电路发射电路接接收收电电路路光缆光缆1.4.5 激光二极管激光二极管1.物理结构物理结构 在发光二极管的在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经抛光后具有部分反射功能，形成一光谐振腔，在正其端面经抛光后具有部分反射功能，形成一光谐振腔，在正向偏置条件下，向偏置条件下，LED结发出光并与光谐振腔相互作用，进一结发出光并与光谐振腔相互作用，进一步激励从步激励从PN结发射的单波长红外光。结发射的单波长红外光。N型P型光活性光活性半导体半导体抛光面抛光面激光激光2.应用应用远距离光纤通信的光源、计算机光驱、激光打印机打印头等。远距离光纤通信的光源、计算机光驱、激光打印机打印头等。