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34课时讲义
第3、4课时
授课题目: 半导体二极管
? ?一、半导体二极管的结构
半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管是由一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)的表面接触,然后在正方向通过很大的瞬时电流,使触丝和半导体牢固地熔接在一起,三价金属与锗结合构成PN结,并做出相应的电极引线,外加管壳密封而成,如图 2.7所示。由于点接触型二极管金属丝很细, 形成的PN结面积很小, 所以极间电容很小,同时,也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件, 也可用来作小电流整流。 如2APl是点接触型锗二极管, 最大整流电流为16mA, 最高工作频率为15OMHz。 面接触型或称面结型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的,其结构如图2.7 所示。由于这种二极管的PN结面积大,可承受较大的电流,但极间电容也大。这类器件适用于整流,而不宜用于高频电路中。如2CPl为面接触型硅二极管,最大整流电流为40OmA, 最高工作频率只有3kHz。
图2.7中的硅工艺平面型二极管结构图, 是集成电路中常见的一种形式。代表二极管的符号也在图2.7中示出。 部分二极管实物如图2.8所示。
二、极管的伏安特性
实际的二极管的V-I特性如图2.9所示。由图可以看出,二极管的V-I特性和PN结的V-I特性(图2.6)基本上是相同的。下面对二极管V-I特性分三部分加以说明:
1、正向特性:二极管外加正向偏置电压时的V-I特性
对应于图2.9(b)的第①段为正向特性,此时加于二极管的正向电压只有零点几伏,但相对来说流过管子的电流却很大,因此管子呈现的正向电阻很小。但是,在正向特性的起始部分,由于正向电压较小,外电场还不足以克服PN结的内电场,因而这时的正向电流几乎为零,二极管呈现出一个大电阻,好像有一个门坎。 硅管的门坎电压Vth(又称死区电压)约为0.5V,锗管的Vth约为0.1V,当正向电压大于Vth时,内电场大为削弱,电流因而迅速增长。
2、反向特性:二极管外加反向偏置电压时的V-I特性
P型半导体中的少数载流子(电子)和N型半导体中的少数载流子(空穴),在反向电压作用下很容易通过PN结, 形成反向饱和电流。但由于少数载流子的数目很少, 所以反向电流是很小的, 如图2.9(b)的第②段所示, 一般硅管的反向电流比锗管小得多,其数量级为:硅管nA级,锗管大mA级。
温度升高时,由于少数载流子增加,反向电流将随之急剧增加。
3、反向击穿特性:二极管击穿时的V-I特性
当增加反向电压时, 因在一定温度条件下, 少数载流子数目有限,故起始一段反向电流没有多大变化,当反向电压增加到一定大小时,反向电流剧增,这叫做二极管的反向击穿, 对应于图2.9的第③段,其原因与PN结击穿相同。4.二极管的基本应用电路 (1)限幅电路---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组成。 ? ?? ? ? ?? ?(2)箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。 ? ?? ? ? ?? ? 注:黑色---输入信号,蓝色---输出信号,波形为用EWB仿真结果。
三.二极管的主要参数
1.正向电流IF:在额定功率下,允许通过二极管的电流值。2.正向电压降VF:二极管通过额定正向电流时,在两极间所产生的电压降。3.最大整流电流(平均值)IOM:在半波整流连续工作的情况下,允许的最大半 波电流的平均值。4.反向击穿电压VB:二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值。5.正向反向峰值电压VRM:二极管正常工作时所允许的反向电压峰值,通常VRM 为VP的三分之二或略小一些。
反向电流IR:在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。7.结电容C:电容包括电容和扩散电容,在高频场合下使用时,要求结电容小于某一规定数值。最高工作频率FM:二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。
四.常用二极管
(1)整流二极管将交流电源整流成为直流电流的二极管叫作整流二极管,它是面结合型的功率器件,因结电容大,故工作频率低。通常,IF在1安以上的二极管采用金属壳封装,以利于散热;IF在1安以下的采用全塑料封装(见图二)由于近代工艺技术不断提高,国外出现了不少较大功率的管子,也采用塑封形式。
(a)全密封金属结构
(b)塑料封装
(2)??检波二极管检波二极管是用于把迭加在高频载波上的低频信号检出来的器件,它具有较高的检波效率和良好的频率特性。(3)开关二极管 在脉冲数字电路中,用于接通和关断电路
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