1、二极管结构与功能课题一课题一 半导体器件半导体器件1.1 半导体器件的基础知识半导体器件的基础知识1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 半导体三极管半导体三极管1.4 场效应管场效应管二极管结构与功能1.1 1.1 半导体器件的基础知识半导体器件的基础知识物质按导电性能可划分为：物质按导电性能可划分为：导体导体 一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属元一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属元素。素。导电率为导电率为105量量纲纲级级。导电能力强。导电能力强。 绝缘体绝缘体 一般为高价元素，如：橡胶、云母、塑一般为高价元素，如：橡胶、云母、塑料等。料等。导电率为导电率为10-2210-14 量量纲纲级
2、级。导电能力弱。导电能力弱。半导体半导体 一般为四价元素，如：硅（一般为四价元素，如：硅（Si）锗（）锗（Ge）等。导电性能介于导体和绝缘体之间。且导电能力等。导电性能介于导体和绝缘体之间。且导电能力随条件变化。随条件变化。1.1.1半导体材料半导体材料二极管结构与功能半导体物质特性：半导体物质特性：掺入杂质则导电率显著增加掺入杂质则导电率显著增加掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加温度特性温度特性热敏器件热敏器件光照不仅大为增加导电率还可产生电动势光照不仅大为增加导电率还可产生电动势光照特性光照特性光敏器件、光电器件光敏器件、光电器件二极管结构
3、与功能完全纯净、结构完整的半导体晶体被称为本征半导体。完全纯净、结构完整的半导体晶体被称为本征半导体。本征半导体在物理结构上呈单晶体形态。（见左下图）本征半导体在物理结构上呈单晶体形态。（见左下图）1.1.2本征半导体本征半导体本征半导体：本征半导体：常用的本征半导体：常用的本征半导体：硅（硅（SiSi），锗（），锗（GeGe）本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构Si+142 8 4Ge+322 8 18 4+4常见本征半导体的原子结构简化模型常见本征半导体的原子结构简化模型二极管结构与功能1.在在T=0K，且无外，且无外部激发能量时：部激发能量时：本征半导体的导电特性本征半导体的导电特性
4、:常见本征半导体晶体结构平面示意图常见本征半导体晶体结构平面示意图本征半导体内部没有能够本征半导体内部没有能够自由移动的带电粒子，即自由移动的带电粒子，即载流子，此时本征半导体载流子，此时本征半导体呈绝缘特性。呈绝缘特性。二极管结构与功能2.在有外部激发能量（如温度升高，光照）时：在有外部激发能量（如温度升高，光照）时：挣脱原子核束缚的电子称为挣脱原子核束缚的电子称为自由电子自由电子，在本征激发下形，在本征激发下形成带负电荷的载流子。成带负电荷的载流子。留下的空位称为空穴，成为留下的空位称为空穴，成为带正电荷的载流子。带正电荷的载流子。本征半导体的载流子在本征半导体的载流子在外加外加电场的作用
5、下可定电场的作用下可定向移动形成漂移电流。向移动形成漂移电流。共价键内的电子共价键内的电子称为束缚电子称为束缚电子二极管结构与功能二极管结构与功能二极管结构与功能杂质半导体杂质半导体N（电子）（电子）型半导体型半导体(掺入的五价元素如掺入的五价元素如P、Se等等)1.1.3杂质半导体杂质半导体P（空穴）（空穴）型半导体型半导体(掺入的三价元素如掺入的三价元素如B、Al、In等等)掺入杂质越多，导电性能越强掺入杂质越多，导电性能越强二极管结构与功能二极管结构与功能二极管结构与功能(1) 在在PN结外加上正向电压时：结外加上正向电压时：PN结正偏（结正偏（P(+), N(-)）时，具有较）时，具有
6、较大的正向扩散电流，呈现低电阻，大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通。结导通。2. PN结的单向导电性结的单向导电性以上所讨论的以上所讨论的PN结处于平衡状态，称为平衡结处于平衡状态，称为平衡PN结。如在结。如在PN结两结两端外加不同方向电压，就会破坏原平衡，呈现出单向导电性。端外加不同方向电压，就会破坏原平衡，呈现出单向导电性。 二极管结构与功能(2) 在在PN结外加上反向电压时：结外加上反向电压时：PN结反偏（结反偏（P(-), N (+)）时，仅有）时，仅有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。结截止。二极管结构与功能结论： PN结加正向电压，即
7、正偏时，有较大的正向扩散电流，此时PN结电阻小，处于导通状态，此时的正向电流随着PN结两端的电压增大而增大； PN结加反向电压，即反偏时，只有很小的，不随PN结两端电压变化的反向饱和电流，此时PN结电阻大，处于截止状态。 即PN结具有单向导电性能。二极管结构与功能PN正极正极负极负极即即二极管二极管结构与功能将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管二极管结构与功能1. 极性判别极性判别触丝触丝半导体片半导体片二极管结构与功能2. 二极管的检测 红表笔是红表笔是(
8、(表内电源表内电源) )正极，黑表笔是正极，黑表笔是( (表内电源表内电源) )负极。负极。数字式万用表检测数字式万用表检测在在 挡进行测量，当挡进行测量，当 PN 结完结完好且正偏时，显示值为好且正偏时，显示值为PN 结两端结两端的正向压降的正向压降 ( (V) )。反偏时，显示反偏时，显示 。二极管结构与功能钳位电路四四 ：二极管在电路中的应用：二极管在电路中的应用钳位电路的作用是将周期性变化的波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上。 利用二极管正向导通压降相对稳定，且数值较小(有时可近似为零)的特点，来限制电路中某点的电位。 二极管结构与功能检波电路v检波二极管的作用是把调制信号中的
9、音频信号或是图像信号取出来。工作频率高，多采用点接触型结构，玻璃封装。二极管结构与功能限幅电路限幅电路 V2vi0 时时D1,D3导通导通D2,D4截止截止电流通路电流通路:A D1RLD3Bu20 时时D2,D4导通导通D1,D3截止截止电流通路电流通路:B D2RLD4A输出是脉动的直流电压！输出是脉动的直流电压！单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形u2D4D2D1D3RLuoAB+_二极管结构与功能整个周期的输出波形如下图所示：tuou2ttiO tuO tiO 、tuOtiO二极管结构与功能三、主要参数：三、主要参数：输出电压平均值：输出
10、电压平均值：Uo=0.9u2输出电流平均值输出电流平均值:Io= Uo/RL =0.9 u2 / RL 流过二极管的平均电流：流过二极管的平均电流：Iv=IL/2+41232+43VuuVVO21LVR-u2ttuO二极管结构与功能共阴极组中阳极电位最高的二极管导通；共阴极组中阳极电位最高的二极管导通； V1RLuLV6 V3V5V4V2iL WVUu+N 三相变压器原绕组接成三三相变压器原绕组接成三角形，副绕组接成星形角形，副绕组接成星形共阳极组共阳极组共阴极组共阴极组L1L2L3T二极管结构与功能 在在 t1 t2 期间期间共阴极组中共阴极组中U点电位最高，点电位最高，V1 导通；导通；
11、共阳极组中共阳极组中V点电位最低，点电位最低，V4 导通。导通。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iL WVUu+ N负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压u2ou2Uu2Vu2W2 t uLott1t2t3t4t5t6t7t8t9二极管结构与功能 在在 t2 t3 期间期间共阴极组中共阴极组中U点电位最高，点电位最高，V1 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中W点电位最低，点电位最低，V6 导通。导通。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iLWVUu+ N负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压uou2Uu2Vu2W2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoto二极管结构与功
12、能 在在 t3 t4 期间期间共阴极组中共阴极组中V点电位最高，点电位最高，V3 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中W点电位最低，点电位最低，V6 导通。导通。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iL WVUu+ N负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压u2ou2Uu2Vu2W2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uLto二极管结构与功能 在在 t4 t5 期间期间共阴极组中共阴极组中V点电位最高，点电位最高，V3 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中U点电位最低，点电位最低，V2 导通。导通。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iL WVUu+ N负载电压负载电压变压器副边电压变压
13、器副边电压u2ou2Uu2Vu2W2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uLto二极管结构与功能t1t2t3t4t5t6t7t8t9uLto 在一个周期中，每个二极在一个周期中，每个二极管只有三分之一的时间导管只有三分之一的时间导通（导通角为通（导通角为120）。）。 V1RLuLV6 V3V5V4V2iLWVUu+ N变压器副边电压变压器副边电压负载电压负载电压u2ou2Uu2Vu2W2 t T二极管结构与功能4.例题例题例例4-4 一直流电源一直流电源,采用三相桥式整流采用三相桥式整流,负载电压和电流分负载电压和电流分别为别为60V和和450A,整流二极管的实际工作电流和最高反向工整流二极管的实际工作电流和最高反向工作电压各为多少作电压各为多少?解解:根据公式可得整流二极管的工作电流为根据公式可得整流二极管的工作电流为:AIIL150345031F整流二极管承受的最高反向工作电压为整流二极管承受的最高反向工作电压为:VUUL636005. 105. 1RM
