第四章半导体二极管.docx

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第四章半导体二极管

第一步电的基础知识

二极管

二极管的特性与应用

   几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

二极管的工作原理

  晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

二极管的类型

  二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。

根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。

按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。

点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。

由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。

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。

平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

二极管的导电特性

  二极管最重要的特性就是单方向导电性。

在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。

1.    正向特性。

  在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。

必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。

只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。

导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。

2.    反向特性。

  在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。

二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。

当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。

二极管的主要参数

  用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。

不同类型的二极管有不同的特性参数。

对初学者而言，必须了解以下几个主要参数：

1、额定正向工作电流

   是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。

因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。

所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。

例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

2、最高反向工作电压

   加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。

为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。

3、反向电流

   反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。

反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。

值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。

例如2AP1型锗二极管，在25时反向电流若为250uA，温度升高到35，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75时，它的反向电流已达8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。

又如，2CP10型硅二极管，25时反向电流仅为5uA，温度升高到75时，反向电流也不过160uA。

故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

测试二极管的好坏  

   初学者在业余条件下可以使用万用表测试二极管性能的好坏。

测试前先把万用表的转换开关拨到欧姆档的RX1K档位（注意不要使用RX1档，以免电流过大烧坏二极管），再将红、黑两根表笔短路，进行欧姆调零。

1、正向特性测试

   把万用表的黑表笔（表内正极）搭触二极管的正极，，红表笔（表内负极）搭触二极管的负极。

若表针不摆到0值而是停在标度盘的中间，这时的阻值就是二极管的正向电阻，一般正向电阻越小越好。

若正向电阻为0值，说明管芯短路损坏，若正向电阻接近无穷大值，说明管芯断路。

短路和断路的管子都不能使用。

2、反向特性测试

   把万且表的红表笔搭触二极管的正极，黑表笔搭触二极管的负极，若表针指在无穷大值或接近无穷大值，管子就是合格的。

二极管的应用

1、整流二极管

   利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。

2、开关元件

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。

利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

3、限幅元件

   二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。

利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

4、继流二极管

   在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。

5、检波二极管

   在收音机中起检波作用。

6、变容二极管

   使用于电视机的高频头中。

半导体的特性

半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。

实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。

1．  在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。

例如，晶体管就是利用这种特性制成的。

2．  当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。

这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

3．  当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。

例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。

   由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。

因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。

在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。

最后，明确一个基本概验：

所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体”。

P性半导体和N型半导体----前面讲过，在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质，能使半导体的导电能力成百万倍的增加。

加入了杂质的半导体可以分为两种类型：

一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子，这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后，会产生大量带正电荷的“空穴”，这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。

例如，在纯净的半导体锗中，加入微量的杂质锑，就能形成N型半导体。

同样，如果在纯净的锗中，加入微量的杂质铟，就形成P型半导体。

一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起，见图1所示。

在P型半导体的N型半导体相结合的地方，就会形成一个特殊的薄层，这个特殊的薄层就叫“PN结”。

晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的（见图1）。

例如，收音机中应用的晶体二极管，其触丝（即触针）部分相当于P型半导体，N型锗片就是N型半导体，他们之间的接触面就是PN结。

P端（或P端引出线）叫晶体二极管的正端（也称正极）。

N端（或N端引出线）叫晶体二极管的负端（也称负极）。

如果像图2那样，把正端连接电池的正极，把负端接电池的负极，这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了。

因此，通过PN结的电流（I=U/R）就很大。

这样的连接方法（图2a）叫“正向连接”。

正向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“正向电压”；处在正向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“正向电阻”，在正向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“正向电流”。

很明显，因为晶体二极管的正向电阻很小（几百欧姆），在一定正向电压下，正向电流（I=U/R）就会很大----这表明在正向电压下，二极管（或PN结）具有像导体一样的导电本领。

                  图2a                                              图2b

反过来，如果把P端接到电池的负极，N端接到电池的正极（见图2b）。

这时PN结的电阻很大（大到几百千殴），电流（I=U/R）几乎不能通过二极管，或者说通过的电流很微弱。

这样的连接方法叫“反向连接”。

反向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“反向电压”；处在反向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“反向电阻”，在反向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“反向电流”。

显然，因为晶体二极管的正向电阻很大（几百千欧姆），在一定的反向电压下，正向电流（I=U/R）就会很小，甚至可以忽略不计，----这表明在一定的反向电压下，二极管（或PN结）几乎不导电。

上叙实验说明这样一个结论：

晶体二极管（或PN结）具有单向导电特性。

晶体二极管用字母“D”代表，在电路中常用图3的符号表示，即表示电流（正电荷）只能顺着箭头方向流动，而不能逆着箭头方向流动。

图3是常用的晶体二极管的外形及符号。

                             图3

利用二极管的单向导电性可以用来整流（将交流电变成直流电）和检波（从高频或中频电信号取出音频信号）以及变频（如把高频变成固定的中频465千周）等。

PN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容，叫做“极间电容”（如图4所示）。

由于电容抗随频率的增高而减小。

所以，PN结工作于高频时，高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。

但在直流或低频下工作时，极间电容对直流和低频的阻抗很大，故一般不会影响PN结的工作性能。

PN结的面积越大，极间电容量越大，影响也约大，这就是面接触型二极管（如整流二极管）和低频三极管不能用于高频工作的原因

晶体二极管的主要参数

最高工作频率fM（MC）----二极管能承受的最高频率。

通过PN结交流电频率高于此值，二极管接不能正常工作。

最高反向工作电压VRM（V）----二极管长期正常工作时，所允许的最高反压。

若越过此值，PN结就有被击穿的可能，对于交流电来说，最高反向工作电压也就是二极管的最高工作电压。

最大整流电流IOM（mA）----二极管能长期正常工作时的最大正向电流。

因为电流通过二极管时就要发热，如果正向电流越过此值，二极管就会有烧坏的危险。

所以用二极管整流时，流过二极管的正向电流（既输出直流）不允许超过最大整流电流。

第二步 电子元件基础知识

二极管

（二）

光电二极管（LED）

光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。

光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。

光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。

光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。

同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。

光电二极管与光电三极管外壳形状基本相同，其判定方法如下：

遮住窗口，选用万用表R*1K挡，测两管脚引线间正、反向电阻，均为无穷大的为光电三极管。

正、反向阻值一大一小者为光电二极管。

光电二极管检测：

首先根据外壳上的标记判断其极，外壳标有色点的管脚或靠近管键的管脚为正极，另一管脚为负载。

如无标记可用一块黑布遮住其接收光线信号的窗口，将万用表置R*1K挡测出正极和负极，同时测得其正向电阻应在10K~20K间，其反向电阻应为无穷大，表针不动。

然后去掉遮光黑布，光电二极管接收窗口对着光源，此时万用表表针应向右偏转，偏转角度大小说明其灵敏度高低，偏转角度越大，灵敏度越高。

光电三极管检测：

光电三极管管脚较长的是发射极，另一管脚是集电极。

检测时首先选一块黑布遮住起接收窗口，将万用表置R*1    K挡，两表笔任意接两管脚，测得结果其表针都不动（电阻无穷大），在移去遮光布，万用表指针向右偏转至15K~35K，其向又偏转角度越大说明其灵敏度越高。

检测结果凡符合以上规律的光电二极管、光电三极管可初步认为其能满足使用需要。

真空管/电子管

什么是真空管?

电子管从根本上说就是控制电子流量的阀门。

它的外观有点像灯泡（通常由玻璃制成），其中已经被抽至几近真空。

在这个近乎真空的密闭腔体内有两个主要设备：

一个被称为加热极，位于电子管的中央位置，在电子管工作时会发出橙色的光（某些真空管有不止一个加热极）；另一个是由阴极、金属栅极和金属板（也被称为阳极）组成。

阳极板是您能在电子管中看到的最大的金属构件。

所有元件都用云母和陶瓷垫片定位和分隔。

电子管玻璃上的银色物质是什么?

银色物质被称为"吸氧剂"，它的目的是帮助增加电子管内的真空度。

不同真空管的颜色可能会有所不同。

有时吸氧剂在真空管工作时会流动，甚至能够薄薄的平均分布在整个真空管的腔体内。

吸氧剂的边缘往往会变成棕色。

但这些都不会影响到电子管的正常工作和稳定性。

真空管的工作原理

让我们一起来看一下真空管的工作原理。

现代的真空管共由4种基本构件组成：

极对灯丝（Filament）（加热用）、阴极（Cathode）、栅极（Grid）和阳极（Anode）。

当极对灯丝连上电压对阴极加热，激发阴极电子通过栅极打在阳极上。

通过这样的电子流，电子管可以将较小的交流电放大成较强的信号，实现信号放大功能。

在信号放大的同时，通过控制栅极电压可以控制电子流量，因而获得所需的电子特性。

电子管是怎样工作的

  电子管的发明与盘尼西林以及轮胎的发现一样具有戏剧性：

在实验室中靠近窗户几个未清洗的实验皿，不经意从窗外飘来一些霉菌落在实验皿上，科学家惊讶的发现某些落入实验皿中的霉菌，可以抑制坏菌的扩散与成长，加以实验分析之後这种霉菌就成为了有效且使用广泛的抗生素之一；同样的情景也发生在研究橡胶的实验中，偶然打破装在玻璃杯里的硫黄，倒入融化的橡胶液体中，凝固後橡胶变成了坚硬且颇富韧性的材质。

电子管当然不是无缘无故做几片金属板封装在抽真空的玻璃瓶里进行实验的，它与发明大王爱迪生有著一段故事。

电流与电子流动的方向恰巧相反

  在此之前试问一个小问题：

电路分析上「电流」的方向与实际上「电子」流动的方向是否相同？

答案是否定的，电流与电子流的方向是恰巧相反的。

过去的科学家无法观察电子流动的方向，于是统一说法，将电池的某一极设定为正极，其电压为正电压，电流由正极流至负极而形成一个封闭的回路。

由於大家统一说法与作法，因此多年来并没有发生任何冲突之事，直到了近代科学家有了更精良的设备，观察之後遂推翻了之前的说法：

「原来电子是由电池的负端流出来的」！

（换言之，电子是从扩大机的喇叭负端流出，而从喇叭正端回流的）

  身为使用者并不需要在意何者为真，只要按照科学家的结论行事就可以了。

说这一段就是因为当初爱迪生发明灯泡之後，发现他生产的灯泡灯丝老是从正极端烧断，于是进一步实验在灯泡中加入一块小金属板，点灯之後将金属板连接电表，分别施以正电压以及负电压，观察电流的情形。

  对于当时的科学而言，位于真空状态下且不连接的金属板，不论如何连接是不可能产生电流的，但怪事发生了，爱迪生发现某种物质（其实就是电子）会透过金属板，会从电池的负极腾空「跳」到正极，此发现当然激起更大的实验动机，此现象便称为「爱迪生效应」。

这也是科学家首次质疑电流流动的方向，以及自由电子在空间中流动的现象。

  金属之所以能导电，就是因为金属的自由电子较多，便于电子的相互流动，因此电子材料必须由导电性佳的材质制成。

电子还有个特性，带负电的电子容易受到正电压的吸引，所谓同性相斥、异性相吸。

又从爱迪生效应中得知，当加热金属物质时，活跃于质子外围的自由电子容易产生游离现象，温度高导致电子活性增强，此时若空间中有一正电压强力吸引，游离的电子就会在空间中流动。

基於这几个当时已被了解的知识，弗来明（J．A.Fleming）于1904年制造出第一支二极电子管，李德科士（DeForestLee）将二极管加以改良，于1907年制造出第一支三极管，既然成功研发了二极管，电子管的应用开始实现，电子管的发展从此一日千里。

三极管是最基本的电子管

  电子管又称「真空管」（VacuumTube），代表玻璃瓶内部抽真空，以利于游离电子的流动，也可有效降低灯丝的氧化损耗。

二极管、三极管、五极管，从字面意义代表电子管内部基本「极」的数量。

电子管拥有三个最基本的极，第一是「阴极」（Cathode,以K代表）：

阴极当然是阴性的，它是释放出电子流的地方，它可以是一块金属板或是灯丝本身，当灯丝加热金属板时，电子就会游离而出，散布在小小的真空玻璃瓶里。

第二个极是「屏极」（Plate，以P代表），基本上它是电子管最外围的金属板，眼睛见到电子管最外层深灰色或黑色的金属板，通常就是屏极。

屏极连接正电压，它负责吸引从阴极散发出来的电子（利用异性相吸的原理），作为电子游离旅行的终点。

第三个极为「栅极」（Gird,以G代表），从构造看来，它犹如一圈圈的细线圈，就如同栅栏一般，固定在阴极与屏极之间，电子流必须通过栅极而到屏极，在栅极之间通电压，可以控制电子的流量，它的作用就如同一个水龙头一般，具有流通与阻挡的功能。

  引擎运转必须要有燃料，电子管的工作动力为电能。

电子管的电极当中，最重要的应属阴极，它负责将电子释放出来，作为一切工作的基础。

  最早的电子管由于构造原理简单，直接将灯丝充当阴极使用，换句话说，当灯丝点亮时，由于灯丝温度提高,电子就从灯丝释放出来,经过栅极直奔屏极。

这种电子管就叫“直热式电子管”。

300B，就是属于这种类型的电子管，相较於其他现代化的五极电子管，300B的构造简单，输出功率也低。

  灯丝（Filament）可以使用不同的材质制成，由于直热式三极管直接将灯丝当作阴极，因此灯丝的特性直接影响著直热式电子管的性能。

基本上，电子管的灯丝主要可分成三种材质构成，第一种当然是耐高温的钨丝。

将纯度高的钨丝抽成细丝，卷绕在电子管的最内层，通电之後即可升高温度。

但钨丝必须加温到两千多度时，电子才能发散，因此以钨丝制成灯丝的电子管点燃时，会发出光辉耀眼的亮度，同时温度高得吓人。

别意外，不是电子管要烧掉了，而是它本来如此！

但将钨丝点亮需要消耗较大的电力，优点是钨丝甚为耐用，普遍运用于较大功率或长寿命的电子管上。

在某些情况下这种真空管的寿命可达数万小时，拿来当作家里的灯泡，既耐用又有装饰的作用，一举数得！

另一种灯丝采用钍钨合金，它只须将灯丝加温至一千多度即可工作，相较之下较省电力。

最常使用的应为氧化硷土灯丝，它的作法是在灯丝外，涂上一层厚厚的氧化硷土，看起来接近白灰色的物质，它只需要加温至约70度（看起来约为暗红色），即可获得足量的电子，因此工作温度最低、也最节省电力，一般而言只须供应6.3V左右的直流，就可以正常工作。

  直热式电子管当然有它天生的优点，但却有一个致命的缺点，那就是阴极容易因灯丝的温度变化而改变特性。

当灯丝电压变动时，或以交流电供应灯丝时，阴极呈现在不稳定的状态下。

因此有人主张直热式电子管应采用直流供电，也有人强调必须以交流供电以免损伤阴极，这种争论过去在音响界早已成为一个争论不休的话题。

旁热式电子管的稳定度较高

  为了解决直热式电子管的灯丝问题，电子管设计者决定让灯丝与阴极分家独立，在灯丝的旁边套上一圈金属套筒，让灯丝直接对金属板加热，电子从金属板散发出来，这种加热方式就称为「旁热式电子管」。

  如此，电子管似乎就稳定许多了，由于金属套筒的体积与储热量高高大于传统的灯丝，因此即使灯丝暂时的温度变动，甚至暂时几秒的停止加热，金属板的温度变化改变有限，这也就是为什么某些电子管机关机之後，它还能唱个十几秒的主要原因。

既然阴极与灯丝独立，阴极板必须由灯丝间接加热，于是灯丝再度改成钨丝材质，以求耐久性，并在钨丝外层涂上一层白磁，一方面绝缘，另一方面也有定型的效果。

由于间接加热效果较差，阴极金属板上会涂上钍、钡或其他有利于电子发散的物质。

也因此，电子管的金属极板看起来总是灰黑色，不像正常的金属板，也由于制作组装时必须仰赖手工，因此金属板上总会留下许多细小的刮痕，用家购买电子管时不必意外担心。

  直热式电子管与旁热式电子管使用上的差异呢？

对于一般使用者而言是不必在乎直热式电子管与旁热式电子管的不同，但对于设计者而言，旁热式电子管由于间接加热的关系，灯丝电流通常较大，而且旁热式的结构必须对阴极金属板加温，因此开机后有一段缓慢的加温期，如果是前级，则必须做好延时设计，以免开机的脉冲伤了后级。

  依据发展的过程来看，最早的电子管当然是直热式的设计，二极管是首先被发展出来的，二极管的功能犹如现在的二极晶体管，具有整流以及收音机内部检波的功能，二极管经过适当的设计，也可以成为稳压管。

由于电子管的工作原理很简单，因此第一支电子管被成功的制造出来之後，就有许多科学家加入研发的工作。

第一支三极管在l907年被一位美国科学家成功制造，从此便开启了无线电时代的来临，告别留声机，进入扩大机时代。

电子管的工作原理

  现在，我们更进一步来看看最简单的电子管工作原理。

  将一支电子管拆开之後，绘於附图之中，从图可知，当点亮灯丝，灯丝温度逐渐升高，虽然是真空状态，但灯丝温度以辐射热的方式传导至阴极金属板上，等到阴极金属板温度达到电子游离的温度时，电子就会从金属板飞奔而出。

此时在电子是带负电的，在屏极加上正电压，电子就会受到吸引而朝屏极金属板飞过去，穿过栅极而形成一电子流。

栅极犹如一个开关，当栅极不带电时，电子流会稳定的穿过栅极到达屏极，当在栅极上加入正电压，对于电子是吸引作用，可以增强电子流动的速度与动力；反之在栅极上加入负电压，同性相斥的原理电子必须绕道才能到达屏极，若栅极的结构庞大，则电子流有可能全数被阻隔。

  利用栅极可以轻易控制电子流的流量，将输入讯号连接在栅极上，并且加入适当的偏压，并且在屏极串上一个电阻，藉此即可达到