资源简介

(共29张PPT)
项目1 认识常用电子元器件
任务1.1 认识半导体
任务1.2 认识二极管
任务1.3 认识三极管
项目导入
电子元器件是电子元件和小型机器、仪器的组成部分，其本身常由若干零件构成，可以在同类产品中通用。最常见的电子元器件有二极管、三极管等。
任务1.2 认识二极管
提出问题
什么叫半导体？半导体和导体、绝缘体有什么不同？本征半导体或杂质半导体能称之为半导体器件吗？PN结是如何形成的？半导体在当今世界有何用途？
把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。
硅高频检波管
开关管
稳压管
整流管
发光二极管
电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。
知识准备
1.2.1二极管的基本结构与类型
特点：
外壳
金属触丝
N型锗片
正极引线
负极引线
半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。根据PN结构造面的特点，晶体二极管可分类如下：
1. 点接触型二极管
PN结
点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流而形成的。点接触型二极管正向特性和反向特性相对较差，因此，不能使用于大电流和整流。但是，点接触型二极管构造简单、价格便宜，其PN结的静电容量小，因此适用于高频电路的检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。
N型锗
面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中，也可以用于大电流开关元件。
负极引线
底座
金锑合金
PN结
铝合金小球
正极引线
2. 面接触型二极管
面接触型二极管采用合金法工艺制成的，结构如图示：
特点：
3. 平面型二极管
硅平面型二极管采用扩散法工艺制成：在半导体N型硅单晶片上扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。结构如图示：
负极引线
P型硅
二氧化硅层
PN结
正极引线
平面型二极管的P区和N区部分表面，因被二氧化硅氧化膜覆盖，所以稳定性好且寿命较长。这种特制的硅二极管，不仅能通过较大的电流而在电路中起整流作用，而且性能稳定可靠，还可用于开关作用、脉冲电路以及高频电路。
特点：
根据用途二极管又可分为普通二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管、检波二极管、整流二极管等。部分二极管的电路图符号以及文字符号如下：
普通二极管
图符号
稳压二极管
图符号
发光二极管
图符号
VD
VDZ
VD
除上述三种结构类型，还有键型二极管、合金型二极管、肖特基二极管、外延型二极管等很多结构类型的二极管，在此不一一赘述了。
光电二极管
图符号
VD
变容二极管
图符号
VD
1.2.2 二极管的伏安特性
U(V)
0.5
0
0.8
-50
-25
I (mA)
20
40
60
( A)
40
20
二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。
二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：
外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场
大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。
死区
正向
导通区
反向
截止区
当外加正向电压较低时，由于外电场还
不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运
动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。
这一区域称之为死区。
外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二
极管失去单向导电性，进入反向击穿区。
反向
击穿区
反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。
正向导通区和反向截止区的讨论
U(V)
0.5
0
0.8
-50
-25
I (mA)
20
40
60
( A)
40
20
死区
正向
导通区
反向
截止区
反向
击穿区
当外加正向电压大于死区电压时，二极管由死区进入导通区，导通区中的正向电流随电压的增大迅速增大，但导通后二极管的端电压却几乎不变，硅二极管的正向导通电压典型值约为0.7V，锗二极管的正向导通电压典型值约为0.3V。
考虑到二极管的正向导通压降，二极管正向偏置时，通常应串联分压限流电阻。
在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。
反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常把反向截止区中由少子形成的漂移电流称为反向饱和电流。
1.2.3 二极管的主要参数
1. 最大耗散功率Pmax：耗散功率指通过二极管的电流与加在二极管两端电压的乘积。最大耗散功率是二极管不能承受的最高温度的极限值。超过此值，二极管将烧损。
3. 最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反向工作电压值。
4. 反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化显著，这一点要特别加以注意。
5. 最高工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性将变差。
2. 最大整流电流IDM：指二极管长期使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流值。
1. 二极管的整流电路
将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。
二极管半波整流电路
T
220V
~
RL
VD
IN4001
1.2.4 二极管的应用
u2
ωt
0
uo
ωt
0
二极管全波整流电路
T
220V
~
RL
VD1
VD2
ui
t
uo
t
桥式整流电路简化图
二极管桥式整流电路
VD4
T
220V
~
RL
VD1
VD2
VD3
T
220V
~
RL
二极管全波整流电路
二极管桥式整流电路
2. 二极管的钳位电路
图示二极管钳位电路中，限
流电阻R的一端与直流电源U+
相连，另一端与二极管阳极相
连，二极管阴极连接端为电路
输入端A，阳极向外的引出端
F点是电路的输出端。
当图中输入端A点电位低于U＋时，则二极管(按理想二极管
处理)VD正偏导通，忽略二极管的管压降，则输出端F的数值
被钳位在A电位；当输入端A点电位较U＋高时，二极管则处
于反偏不能导通，此时电阻R上无电流通过，输出端F的电位
就被钳制在U+电位。
F
A
U＋
R
VD
用理想二极管组成的电路如下图所示，试求图中电
压U及电流I的大小。
解
(a)二极管正向偏置导通，
例
10kΩ
+5V
I
U
－5V
10kΩ
+5V
I
U
－5V
10kΩ
+5V
I
U
－5V
10kΩ
+5V
I
U
－5V
（a）
（b）
（c）
（d）
，U被钳位
在－5V。
(c)二极管反向偏置截止，I＝0，U被钳位在－5V。
其余两题练习。
对于二极管应用电路，讨论时主要以二极管的单向导电
性为关键，以此作为分析二极管是否导通或截止的依据，
对电路进行分析。
3. 二极管双向限幅电路
图示为二极管双向限幅电路。已知：
图中二极管均为硅管，设导通时其管压降
试画出输出电压UO的波形。
例
入电压ui>＋0.7V时，二极管VD1导通，VD2截止，输出电压
维持在VD＝0.7V的导通电压值不变；当ui<－0.7V时，VD2导
通，VD1截止，输出电压维持在－0.7V不变。除此两段时间
外，输入电压均小于±0.7V，两个二极管均为截止状态，所
以输出与输入相同。可见，该电路中的二极管在电路中起着
限幅作用。其电路输出电压波形为：
由图示电路和输入电路电压的波形图可看出：当输
分析
+
－
VD
uS
10kΩ
IN4148
+
－
uo
iD
图示为理想二极管限幅电路。电
源uS是一个周期性的矩形脉冲，高电
平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。
试分析电路的输出电压为多少。
分析
uS
+5V
-5V
t
0
当输入电压ui=－5V时，二极管反偏
截止，此时电路可视为开路，输出
电压uo=0V；
当输入电压ui= +5V时，二极管正偏导
通，导通时二极管管压降近似为零，
故输出电压uo≈+5V。
显然输出电压uo限幅在0~+5V之间。
uo
例
注意：分析开关电路较为简单，通常把二极管进行理想化
处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开路”。
正向导通时相当
一个闭合的开关
UD≈0
+
－
+
－
VD
UD≈∞
+
－
VD
+
－
+
－
VD
P
N
+
－
反向阻断时相当
一个打开的开关
+
－
+
－
VD
P
N
*二极管的开关作用
半导体二极管工作在击穿区，是否一定被损坏？为什么？
何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典型值各为多少？为何会出现死区电压？
把一个1.5V的干电池直接正向联接到二极管的两端，
会出现什么问题？
二极管的伏安特性曲线上分为几个区？能否说明二极管工作在各个区时的电压电流情况？
检验学习结果
为什么二极管的反向电流很小且具有饱和性？当环境温度升高时又会明显增大 ？
I(mA)
40
30
20
10
0
-5
-10
-15
-20
(μA)
0.4 0.8
－12 －8 －4
U(V)
在反向击穿区，稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流
的变化而变化、这是稳压二极管的显著特性。
VDZ
稳压二极管通常是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆。
正向特性与普通二极管相似
反向
ΔIZ
ΔUZ
1.2.5 特殊二极管
1. 稳压二极管
实物图
图符号及文字符号
显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。
+
US
－
DZ
使用稳压二极管时应该注意的事项
（1）稳压二极管正负极的判别
DZ
+
－
（2）稳压二极管使用时，应反向接入电路
UZ
－
（3）稳压管应接入限流电阻
（4）电源电压应高于稳压二极管的稳压值
（5）稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达
300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。
思索与回顾
二极管的反向击穿特性：当外加反向电压超过击穿电压时，通过二极管的电流会急剧增加。
击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。如稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。
在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就是利用这一点达到“稳压”效果的。稳压管正常工作是在反向击穿区。
2. 发光二极管
发光二极管简称为LED。是由镓与砷或磷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。
从结构图看，发光管的基本结构
是一块电致发光的半导体材料，置
于一个有引线的架子上，然后四周
用环氧树脂密封，起到保护内部芯
线的作用，所以其抗震性能好。发
光管的核心部分和普通二极管一样
是PN结，在PN结中注入的少数载
流子与多数载流子复合时会把多余
的能量以光的形式释放出来，从而
把电能直接转换为光能。
实物图
图符号和
文字符号
VD
LED发光二极管具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源所不可及的优点。发光管正常工作时应正向偏置，因其属于功率型器件，因此死区电压较普通二极管高很多，其正偏工作电压最少也要在1.3V以上。
数字电路中，发光管常用来作为数码及图形显示的七段式或阵列器件。
2. 发光二极管
发光二极管早在1962年出现，早期只能发出低
光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时
至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外
线，光度也提高到相当的数值。随着技术的不断
进步，发光管的用途也在不断扩展，初时仅作为
指示灯、显示板等用，目前已被广泛应用于显示
器、电视机采光装饰和照明等。
光电二极管也称光敏二极管，是将光信号变成电信号的半
导体器件，其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结的结
面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。
VD
光电二极管的正常工作状态是反向偏置。在反向电压下，
无光照时，反向电流很小，称为暗电流；有光照射时，携带
能量的光子进入PN结，把能量传给共价键上的束缚电子，
使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子—空穴对，称光
生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流，
其强度与光照强度成正比。
3. 光电二极管
光电二极管和普通二极管一样具有“单向导电性”，光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。
实物图
图符号和
文字符号
变容二极管双称可变电抗二极管，是一种利用PN结的势垒
电容与其反向偏置电压的依赖关系及原理制成的二极管，其结
构如：
4. 变容二极管
变容二极管的作用是利用PN结之间电容可变的原理制作的，变容二极管正常工作时应反向偏置，改变其PN结上的反向偏置电压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越小，反向偏压与结电容之间的关系是非线性关系。
实物图
图符号和
文字符号
VD
变容二极管通常用于高频电路做调谐元件，或者在通信等电路中作可变电容使用。
激光二极管的物理结构是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活体的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一个光谐振腔。在正向偏置情况下，LED结发射出光并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的激光，这种激光的物理性质与材料有关。
5. 激光二极管
实物图
图符号和
文字符号
VD
激光二极管的工作原理理论上和气体激光器相似，当激光二极管有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光。
激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等小功率光电设备中得到了广泛的应用 。
1.利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？
你会做吗？
思考与问题
2. 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：(1)若将它们串联相接，可得到几种稳压值？各为多少？(2)若将它们并联相接，又可得到几种稳压值？各为多少？
3.在右图所示电路中，发光二极管导通电压UD＝1.5V，正向电流在5~15mA时才能正常工作。试问图中开关S在什么位置时发光二极管才能发光？R的取值范围又是多少？
R
D
S
+5V

展开更多......

收起↑