二極管文獻(xiàn)綜述.doc

1、二極管文獻(xiàn)綜述一 引言大家知道，中國是全球最大的半導(dǎo)體功率器件生產(chǎn)基地，二極管更是占了很大的比例。在過去的20多年中，中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，更加促進(jìn)了二極管的發(fā)展。而這學(xué)期我學(xué)了電工電子這門課程，對(duì)其中所學(xué)的二極管內(nèi)容產(chǎn)生極大的興趣，以此為背景，我嘗試對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)主要貢獻(xiàn)者的觀點(diǎn)進(jìn)行歸納，并梳理其理論邏輯，我認(rèn)為通過這條途徑可以增進(jìn)我對(duì)二極管知識(shí)的理解能力，本篇綜述主要是通過對(duì)二極管的歷史 (尋求研究問題的發(fā)展歷程)、現(xiàn)狀、基本內(nèi)容 (尋求認(rèn)識(shí)的進(jìn)步)，研究方法的分析(尋求研究方法的借鑒)，已解決的問題和尚存的問題，重點(diǎn)、詳盡地闡述對(duì)當(dāng)前的影響及發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)作主要闡述。二 正文1 歷史1907年，h

2、enryjosephround第一次在碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象，從此科技工作者們便開始了嶄新的探索之旅，這一旅程，從黑暗到黎明，卻是整整一個(gè)世紀(jì)。 20世紀(jì)20年代晚期，bernhardgudden和robertwichard在德國使用從鋅硫化合物與銅中提煉的黃磷產(chǎn)生發(fā)光，但發(fā)光太暗，無法應(yīng)用化。1936年，georgedestian發(fā)表了關(guān)于硫化鋅粉末發(fā)射光線的報(bào)告，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這一具有廣泛意義的專業(yè)術(shù)語。20世紀(jì)50年代，英國科學(xué)家在電致發(fā)光的實(shí)驗(yàn)中使用（半導(dǎo)體）砷化鎵發(fā)明了第一枚具有現(xiàn)代意義的led（lightemittingdiode）。20世紀(jì)60年代末， 科技工作者利用

3、半導(dǎo)體pn結(jié)發(fā)光的原理，研制成了led發(fā)光二極管。當(dāng)時(shí)研制的led，所用的材料是gaasp，其發(fā)光顏色為紅色。經(jīng)過近年的發(fā)展，現(xiàn)在大家十分熟悉的led，已能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種色光。20世紀(jì)90年代，隨著氮化物led的發(fā)明，是上世紀(jì)led發(fā)展最快的10年，除了一些核心技術(shù)問題得到攻克外，led開始在部分國家和地區(qū)廣泛取代傳統(tǒng)光源和替代交通信號(hào)燈，同時(shí)白光led面世，開啟了照明和光電顯示領(lǐng)域的新境界，1992年，藍(lán)色led在nichia成功走出實(shí)驗(yàn)室，1997年，白光led誕生。led從最初的約0.05lm/w的光效，經(jīng)歷了0.1lm/w時(shí)代，數(shù)lm/w時(shí)代，數(shù)十lm/w時(shí)代，到現(xiàn)在的約

4、90lm/w的發(fā)效率，并且現(xiàn)代技術(shù)的led，發(fā)展遵守摩爾定律，每18個(gè)月亮度就會(huì)提高一倍。2 現(xiàn)狀二極管種類繁多,它就像衣服的紐扣拉鏈一樣個(gè)頭雖小卻必不可少，無處不在。 二極管就封裝形式而言,主要包含了兩個(gè)大類,即插件和貼片.這兩個(gè)大類底下又包含了很多分支,do系列、to系列是插件二極管最常見的兩個(gè)大系,sma、smb 、smc、cd、sod系列、sot系列、dfn、qfn等形式屬于貼片式封裝.  按照封裝材料可以分成玻封、塑封和金封.塑封占據(jù)著大多數(shù)的市場(chǎng),然而我們經(jīng)常用到的4148開關(guān)管及穩(wěn)壓二極管屬于玻璃封裝.在小功率二極管里,金封非常少見。技術(shù)現(xiàn)狀：無機(jī)發(fā)光二極管（

5、led） 在1962年，通用電氣的高級(jí)半導(dǎo)體化合物實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一個(gè)實(shí)用的可見光光譜的led。這個(gè)led由p-n同質(zhì)結(jié)構(gòu)的gaasp組成。在接下來幾年中，這種技術(shù)持續(xù)改善，在六十年代晚期商用的紅光led出現(xiàn)。然而第一個(gè)商用led的效率很低，才0.1流明每瓦。在過去三十年中研究人員持續(xù)改善該技術(shù)，取得了高效率，發(fā)光光譜也日益擴(kuò)大，使用了新的iii-v族化合物，今天市場(chǎng)上也出現(xiàn)了高亮度led陣列。led的發(fā)射光譜是離散的，目前可以制造的發(fā)光光譜分布在紫外、可視和紅外區(qū)域。高亮度發(fā)光二極管   2004年開始，發(fā)光二極管（led）發(fā)展成本大幅減少，產(chǎn)量激增，其中標(biāo)準(zhǔn)和指示燈的le

6、d生產(chǎn)將占這類產(chǎn)品的大部份。但是，到2008年，將以高亮度發(fā)光二極管(hb-led)和超高亮度發(fā)光二極管(uhb-led)為主要營收的產(chǎn)品種類。高亮度發(fā)光二極管，泛指以四元化合物及氮化鎵（gan）系化合物所制成的led。由于高亮度發(fā)光二極管應(yīng)用領(lǐng)域被持續(xù)開發(fā)，除各種顯示器及交通信號(hào)燈外，在汽車工業(yè)中也占有一席之地，例如第三剎車燈、尾燈組、儀表板背光等，另外還被廣泛地應(yīng)用在可攜式產(chǎn)品，如手機(jī)、pda、數(shù)碼相機(jī)的lcd顯示器背光源等。gan發(fā)光二極管作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，gan能夠激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特物理和光電屬性使其成為化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域最熱的研究領(lǐng)域，近年來在研發(fā)和商用器件方面的快速發(fā)展更使得ga

7、n基相關(guān)產(chǎn)業(yè)充滿活力，gan基的商用電子器件仍在加緊開發(fā)中。由于許多公司宣布下一代高清晰dvd即將出貨，期盼已久的藍(lán)紫激光器（405nm）在光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)?huì)一顯身手，成為gan產(chǎn)業(yè)的又一個(gè)重要應(yīng)用市場(chǎng)，高清晰電視（hdtv）的信息內(nèi)容和顯示器開發(fā)也將影響下一代藍(lán)紫光dvd光盤的普及。3 、基本內(nèi)容（1）結(jié)的形成當(dāng)型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體結(jié)合在一起的時(shí)侯，由于交界面處存在載流子濃度的差異多子擴(kuò)散產(chǎn)生空間電荷區(qū)和內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子擴(kuò)散，有利少子漂移當(dāng)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即結(jié)。 （2）結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷憾嘧酉蚪Y(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)減弱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移

8、運(yùn)動(dòng)正向電流外加反向電壓多子背離結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)反向電流。當(dāng)溫度一定時(shí)，少子濃度一定，反向電流幾乎不隨外加電壓而變化，故稱為反向飽和電流。 （3）半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)的不同可分為點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型這樣幾類。a伏安特性 它可劃分為三個(gè)部分：a、正向特性(外加正向電壓)當(dāng)正向電壓超過某一數(shù)值后，二極管才有明顯的正向電流，該電壓值稱為導(dǎo)通電壓。b、反向特性(外加反向電壓)在反向電壓小于反向擊穿電壓的范圍內(nèi)，由少數(shù)載流子形成的反向電流很小，而且與反向電壓的大小基本無關(guān)。 由二極管的正向與反向特性可直觀的看出：二極管是非線性器件；二極管具有單向?qū)щ娦?。c、反

9、向擊穿特性當(dāng)反向電壓增加到某一數(shù)值br時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象叫做二極管的反向擊穿。（4）二極管應(yīng)用電路a、限幅電路-利用二極管單向?qū)щ娦院蛯?dǎo)通后兩端電壓基本不變的特點(diǎn)組成，將信號(hào)限定在某一范圍中變化，分為單限幅和雙限幅電路。多用于信號(hào)處理電路中。b、箝位電路-將輸出電壓箝位在一定數(shù)值上。c、開關(guān)電路-利用二極管單向?qū)щ娦砸越油ê蛿嚅_電路，廣泛用于數(shù)字電路中。d、整流電路-利用二極管單向?qū)щ娦?，將交流信?hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，廣泛用于直流穩(wěn)壓電源中。e、低電壓穩(wěn)壓電路-利用二極管導(dǎo)通后兩端電壓基本不變的特點(diǎn)，采用幾只二極管串聯(lián)，獲得3v以下輸出電壓f、二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流 是指二極管

10、長期連續(xù)工作時(shí)允許通過的最大正向電流值，其值與pn結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。因?yàn)殡娏魍ㄟ^管子時(shí)會(huì)使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為141左右，鍺管為90左右）時(shí)，就會(huì)使管芯過熱而損壞。所以在規(guī)定散熱條件下，二極管使用中不要超過二極管最大整流電流值。例如，常用的in40014007型鍺二極管的額定正向工作電流為1a。 2）最高反向工作電壓 加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時(shí)，會(huì)將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰?。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，in4001二極管反向耐壓為50v，in4007反向耐壓為1000v。 3）反向電流 反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向

11、電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶谩Ｖ档米⒁獾氖欠聪螂娏髋c溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。例如2ap1型鍺二極管，在25時(shí)反向電流若為250ua，溫度升高到35，反向電流將上升到500ua，依此類推，在75時(shí)，它的反向電流已達(dá)8ma，不僅失去了單方向?qū)щ娞匦?，還會(huì)使管子過熱而損壞。又如，2cp10型硅二極管，25時(shí)反向電流僅為5ua，溫度升高到75時(shí)，反向電流也不過160ua。故硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。4）動(dòng)態(tài)電阻rd二極管特性曲線靜態(tài)工作點(diǎn)q附近電壓的變化與相應(yīng)電流的變化量之比。 （5）特殊二極管a穩(wěn)壓二極管

12、a、工作原理：穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，它利用結(jié)反向擊穿后特性陡直的特點(diǎn)，在電路中起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。b、主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓z、穩(wěn)定電流z、最大工作電流zm和最大耗散功率zmb發(fā)光二極管  發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的特殊二極管。發(fā)光二極管簡寫成了，其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)結(jié)，它的特性曲線與普通二極管類似，但正向?qū)妷?#160;   一般為12，正向工作電流一般為幾幾十毫安。c光電二極管 光電二極管又叫光敏二極管，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的特殊二極管。d變?nèi)荻O管   利用二極管結(jié)電容隨反向電壓的增加而減少的特性

13、制成的電容效應(yīng)顯著的二極管。多于高頻技術(shù)中。4.研究方法的分析a、萬用表檢測(cè)普通二極管的極性與好壞。檢測(cè)原理：根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦赃@一特點(diǎn)性能良好的二極管，其正向電阻小，反向電阻大；這兩個(gè)數(shù)值相差越大越好。若相差不多說明二極管的性能不好或已經(jīng)損壞。測(cè)量方法：將兩表棒分別接在二極管的兩個(gè)電極上，讀出測(cè)量的阻值；然后將表棒對(duì)換再測(cè)量一次，記下第二次阻值。若兩次阻值相差很大，說明該二極管性能良好；如果兩次測(cè)量的阻值都很小，說明二極管已經(jīng)擊穿；如果兩次測(cè)量的阻值都很大，說明二極管內(nèi)部已經(jīng)斷路：兩次測(cè)量的阻值相差不大，說明二極管性能欠佳。在這些情況下，二極管就不能使用了。由于二極管的伏安特性是非線性的

14、，用萬用表的不同電阻擋測(cè)量二極管的電阻時(shí)，會(huì)得出不同的電阻值；實(shí)際使用時(shí)，流過二極管的電流會(huì)較大，因而二極管呈現(xiàn)的電阻值會(huì)更小些。b、特殊類型二極管的檢測(cè)。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種工作在反向擊穿區(qū)、具有穩(wěn)定電壓作用的二極管。其極性與性能好壞的測(cè)量與普通二極管的測(cè)量方法相似。穩(wěn)壓二極管的測(cè)量原理是：萬用表rxlk擋的內(nèi)電池電壓較小，通常不會(huì)使普通二極管和穩(wěn)壓二極管擊穿，所以測(cè)出的反向電阻都很大。當(dāng)萬用表轉(zhuǎn)換到rx10k擋時(shí)，萬用表內(nèi)電池電壓變得很大，使穩(wěn)壓二極管出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象，所以其反向電阻下降很多，由于普通二極管的反向擊穿電壓比穩(wěn)壓二極管高得多，因而普通二極管不擊穿，其反向電阻仍然很大。發(fā)

15、光二極管led(light emitting diode)發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管，是一種新型的冷光源。發(fā)光二極管工作在正向區(qū)域，其正向?qū)?開啟)工作電壓高于普通二極管。外加正向電壓越大，led發(fā)光越亮，但使用中應(yīng)注意，外加正向電壓不能使發(fā)光二極管超過其最大工作電流，以免燒壞管子。光電二極管 光電二極管又稱為光敏二極管，它是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的特殊二極管，其管殼上有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于接受光線。光電二極管工作在反向工作區(qū)。無光照時(shí)，光電二極管與普通二極管一樣，反向電流很小(一般小于o1ua)，光電管的反向電阻很大(幾十兆歐以上)；有光照時(shí)，反向電流明顯增加，反向電

16、阻明顯下降(幾千歐到幾十千歐)，即反向電流(稱為光電流)與光照成正比。5、已解決的問題和尚存的問題 二極管的廣泛應(yīng)用解決了很多問題，給人們的生活帶來極大的方便，現(xiàn)介紹幾種二極管的應(yīng)用：a、變?nèi)荻O管 ：使用于電視機(jī)的高頻頭中b、整流二極管 : 利用二極管單向?qū)щ娦裕梢园逊较蚪惶孀兓慕涣麟娮儞Q成單一方向的脈動(dòng)直流電。 c、開關(guān)元件 : 二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。利用二極管的開關(guān)特性，可以組成各種邏輯電路。d、檢波二極管 : 在收音機(jī)中起檢波作用二極管正向?qū)ê?，它的正向壓降基本保持不變（?/p>

17、管為0.7v，鍺管為0.3v）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號(hào)幅度限制在一定范圍內(nèi)。 e、繼流二極管 : 在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起繼流作用。雖然二極管有很多方面的應(yīng)用，但它也存在自身的問題，也有一些技術(shù)上的難題需研究解決。 (1)首先是發(fā)光效率問題。提高led的發(fā)光效率最主要的方法是改進(jìn)半導(dǎo)體發(fā)光材料與led芯片的結(jié)構(gòu)和制造工藝。(2)高功率問題。作為照明，單個(gè)led輸出的光通量必須足夠大，欲加大led的光通量，首先必須注入足夠的電功率。但led芯片的溫升不能過高，否則各項(xiàng)性能特別是使用壽命會(huì)受到很大的影響。顯然，設(shè)計(jì)較大輸入功率的led器件和燈具，除需用面積較

18、大的芯片外，還必須有良好的散熱結(jié)構(gòu)。(3)由于led照明需由多個(gè)led管組成，其參數(shù)離散性也是一個(gè)技術(shù)問題。除了通過預(yù)選、分類，盡量保證一致性以外，還必須設(shè)計(jì)合理的燈具結(jié)構(gòu)(包括led的排列和位置布局)和研究合適的驅(qū)動(dòng)電路，防止偶爾產(chǎn)生的能量集中而燒毀部分led。    (4)此外，由于多個(gè)led組成一只照明燈具時(shí)，免不了對(duì)led進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)。而在使用過程中只要有一個(gè)led短路或開路，都將會(huì)導(dǎo)致整小片或整條led熄滅，影響照明效果。為此，必須研究簡單而廉價(jià)的保護(hù)電路，使這種不良影響降至最低限度。(5)鑒于led對(duì)散熱條件的要求較高，如果管芯結(jié)溫超過標(biāo)準(zhǔn)限定值，將

19、導(dǎo)致不可恢復(fù)性光強(qiáng)衰減。因此，除使用時(shí)要有足夠的散熱措施外、還必須有合理的電路設(shè)計(jì)和電路布局，盡量使led保持良好的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮它的長壽命優(yōu)點(diǎn)。（6）散熱問題led的工作狀態(tài)和散熱設(shè)計(jì)不僅直接關(guān)系到led實(shí)際發(fā)光效率，也關(guān)系到實(shí)際使用壽命。性價(jià)比問題：由于目前l(fā)ed芯片的價(jià)格仍處于較高價(jià)位，led路燈的價(jià)格與傳統(tǒng)燈具相比仍然偏高。6、二極管的發(fā)展趨勢(shì) 自二十世紀(jì)90年代以來，發(fā)光二極管的發(fā)展極為迅猛，亮度大為提高，各種顏色的超高亮度發(fā)光二極管紛紛涌現(xiàn)。利用這一高新技術(shù)來改進(jìn)試驗(yàn)教學(xué)，一方面可替代一些傳統(tǒng)光源，如白熾燈，蠟燭等，方便安全可靠，不會(huì)對(duì)學(xué)生帶來可能的傷害。另一方面，利用發(fā)光二極管對(duì)電壓，電流極為敏感，響應(yīng)時(shí)間短，直觀可靠的特點(diǎn)，可簡化實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)形象生動(dòng)，簡單易懂。并且通過與原有實(shí)驗(yàn)比較，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并激發(fā)學(xué)生思索如何改進(jìn)一些實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)態(tài)度有很大幫助。同時(shí)，對(duì)加深學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的理解，改善教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)的現(xiàn)代化具有