半导体

半导体二极管 半导体二极管 　　半导体二极管（semiconductor diode） 也叫晶体二极管，是一种由半导体材料制成的、具有单向导电性的两极器件，可以用于整流、检波、混频、开关、稳压等。半导体二极管是由一个PN结焊上两根电极引线，再加上外壳封装而成，与P型半导体相接的电极叫正极，与N型半导体相接的电极叫负极。在电路图中，半导体二极管用图1-21-20所示的符号 来示。 　　(1)半导体二极管的伏安特性 　　半导体二极管最重要的特性是单向导电性，即当外加正向电压时，它呈现的电阻（正向电阻）比较小，通过的电流比较大，当外加反向电压时，它呈现的电阻（反向电阻）很 大，通过的电流很小（通常可以忽略不计）。反映二极管的电流随电压变化的关系曲线，叫做二极管的伏安特性，如图1-21-21所示。图1-21-21中右上方为正向伏安特性，左下方为反向伏安特性。当外加正向电压时，随着电压U的逐渐增加，电流I也增加。但在开始的一段，由于外加电压很低，外电场不能克服PN结的内电场，半导体中的多数载流子不能顺利通过阻挡层，所以这时的正向电流极小（见曲线的OA段，该段所对应的电压称为死区电压，硅管的死区电压约为OV～0.5V，锗管的死区电压约为OV～0.2V）。当外加电压超过死区电压以后，外电场强于PN结的内电场，多数载流子大量通过阻挡层，使正向电流随电压很快增长（曲线中的AB段）。当外加反向电压时，所加的反向电压加强了内电场对多数载流子的阻挡，所以二极管中几乎没有电流通过。但是这时的外电场能促使少数载流子漂移，所以少数载流子形成很小的反向电流（曲线中的OC段）。由于少数载流子数量有限，只要加不大的反向电压就可以使全部少数载流子越过PN结而形成反向饱和电流，继续升高反向电压时反向电流几乎不再增大（曲线中的CD段）。当反向电压增大到某一值（曲线中的D 点）以后，反向电流会突然增大，这种现象叫反向击穿，这时二极管失去单向导电性。所以一般二极管在电路中工作时，其反向电压任何时候都必须小于其反向击穿时的电压。 　　(2)半导体二极管的主要参数 　　正向直流电流IF在规定的使用条件下，在电阻性负荷的正弦半波整流电路中，允许连续通过二极管的最大工作电流的平均值。在二极管连续工作时，工作电流不应超过IF，否则可能使管子因过热而损坏，一般锗管，IF为数十毫安以下，而大功率硅管可达数百安。 　　反向直流电流IR在室温下，加上规定的反向电压如（10V、25V、50V、75V或100V）时的反向电流。IR越小，二极管的品质越好。一般锗管，约数百微安；一般硅管，在1微安至数十微安。 　　反向峰值击穿电压UBR它是二极管能承受的最高反向电压，超过后将导致二极管被击穿。 　　反向工作峰值电压URWM是指二极管工作时所允许施加的最大反向峰值电压，它一般为反向峰值击穿电压的一半或三分之二。一般锗管，URWM为数十伏以下，而硅管可达数百伏 　　最高工作频率fM由于二极管的PN结具有电容，因而当使用的频率过高时，它的性能将变差。f<是二极管能够正常使用时的最高工作频率。二极管的结电容（极间电容）越小， fM越高。 　　(3)半导体二极管的分类 　　按照所使用的材料不同，可分为锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管等。按照内部结构的不同，可分为点接触型和面接触型（图1-21-22）。 按照功率的不同，可分为小功率管和大功率管，按照用途的不同，可分为： 　　普通二极管 如2AP、2CP等系列，主要用于高频检波和小功率整流。 　　整流二极管 如2CZ、2DZ等系列，主要用于整流电路中。 　　开关二极管 半导体二极管导通时相当于开关闭合（电路接通），截止时相当于开关断开（电路切断），所以二极管可作开关用。开关二极管是专门用来作开关用的二极管，它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短，常见的有 2 AK、2 DK等系列，主要用于电子计算机、脉冲和开关电路中。 　　稳压二极管 也叫齐纳二极管，是利用硅二极管反向击穿特性来稳定直流电压的--在反向击穿时通过它的电流尽管在很大范围内改变，而它两端的电压几乎不变。它不同于一般二极管的是一般二极管反向击穿后就毁坏了，而它只要不超过最大允许工作电流就不会毁坏；实际应用时，它正是在反向击穿状态下工作。常见的有2 CW、2 DW系列。 　　变容二极管 二极管的PN结具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，所以改变反向电压的大小可以改变PN结的结电容大小，这样二极管就可以作为可变电容器用。结电容一般只有几个皮法，至多一二百皮法，所以变容二极管都用于高频电路，例如作为电视接收机调谐回路中的可变电容器。常见的有2 AC、2 CC、2 DC等系列。 　　光敏二极管 也叫光电二极管。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子-空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流，常见的有2 CU、2 DU等系列。 　　发光二极管简称为LED，由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 　　图1-21-23是一些特种二极管的符号。 　　(4)半导体二极管的简易判别 　　半导体二极管上如果没有标记，可根据正向电阻较小，反向电阻较大这一特性利用多用电表的电阻挡，判断它的极性和好坏。对于耐压较低、电流较小的二极管只能用R×1k或R×100挡，不能用R×10k或R×1挡，因为R×10k挡电压较高，R×1挡电流较大，可能使二极管损坏。判断的具体如下表： 被测二极管正反向电阻相差越大越好，如果相差不大，表明二极管性能不好或损坏。 发光二极管 发光二极管（light emitting diode） 半导体二极管的一种，可以把电能转换成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们的材料和主要特性大致如本页末的表（准确的参数要看） 发光二极管的反向击穿电压约5V，它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算。 发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。 与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心作成条状，用7条条状的发光二极管组成7段式半导体数码管（图1-21-24），每个数码管可显示0～9十个数目字。 整流器 整流器（rectifier） 把交流电变换为直流电的过程叫做整流。实现整流的装置叫做整流器 整流器按整流的方法不同，分为机械整流器和电子整流器。机械整流器是利用机械运动来实现整流的，直流发电机的整流器--换向器，属于这一类。电子整流器是利用单向导电的电子器件来实现整流的，现在广泛应用在电工技术和电子技术中整流器中单向导电的电子器件叫做整流元件。按整流元件的不同，常用的电子整流器可分为：真空管整流器、充气管整流器、汞弧整流器（水银整流器）、半导体整流器、可控硅整流器等。人们日常生活中最常见到的是半导体整流器，用半导体二极管作整流元件。 常用的整流电路有单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流和倍压整流等几种。本页末的表中画出了半波、全波、桥式整流电路。单相半波整流电路最简单，由于半导体二极管的单相导电性只有当变压器次级电压e2为正半周时，才有电流iL流过负载电阻RL，e2为负半周时则iL被截止。交流电只有半周得到利用，所以叫半波整流。这种整流电路虽然简单，但是变压器的利用系数低，二极管承受的反向电压高（等于变压器次级电压的最大值，约为RL上的电压在整个周期内的平均值UL的3.14倍），整流电压的脉动系数大，因此仅用于小功率整流器。全波整流的变压器的利用系数高，整流电压的脉动系数小，但是变压器需要有中心抽头。桥式整流不需要变压器次级有中心抽头，但需要多用两个整流元件。后两种整流电路广泛应用在中、小功率整流器中。 图1-21-25甲是一种二倍压整流电路，C1、C2的电容都比较大，负载电阻RL也比较大。在变压器副线圈的电压e2的正半周，D1导通，将电容器C1充电（图1-21-25乙）使它两极板上的电压约等于e2的峰值E2M，在e2负半周时，C1还来不及放电，C1上的电压与e2相加，经过D2给C2充电，使它两极板间电压约等于2E2M（图1-21-25丙）。 　这个过程继续下去，与C2并联的负载RL两端的电压即约为变压器次级电压峰值的二倍，所以叫做二倍压整流电路。 在某些场合（例如阴极射线管的供电、试验耐压强度的设备中），需要整流器给出很高的电压而电流极小，常采用三倍压、四倍压或更多倍压的整流电路。在这种多倍压的整流器中，其倍压数目与整流元件以及电容器的数目相等。例如图1-21-26所示为四倍压整流器，必须有4个整流元件和4个电容器。