半导体二极管及其电路

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1、第第2 2章章 半导体二极管及其电路半导体二极管及其电路本章内容本章内容半导体二极管半导体二极管稳压二极管稳压二极管其他类型二极管其他类型二极管半导体二极管半导体二极管1.1.半导体二极管的结构半导体二极管的结构2.2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性3.3.二极管的参数二极管的参数4.4.二极管的等效模型二极管的等效模型5.5.二极管应用电路二极管应用电路本节要掌握以下五个内容本节要掌握以下五个内容 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1)点接

2、触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4)二极管的代表符

3、号二极管的代表符号(d)代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 a半导体二极管图片 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 硅管硅管00.8反向特性反向特性正向特性正向特性击击穿穿特特性性mA/DiV/Du00.8反向特性反向特性锗管锗管正向特性正向特性mA/DiV/DuuDiD)(DDufi (1)近似呈现为指数曲线，即近似呈现为指数曲线，即TUuIiDeSD(2)有死区有死区（iD0的区域的区域)1正向特性正向特性死区电压约为死区电压约为硅管硅管0.5 V锗管锗管0.1 VOiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD(3)导通后（即导通后（即uD

4、大于死区电压后）大于死区电压后）TTUuUiUIdudiTDSDD1eD 管压降管压降uD 约为约为硅管硅管0.60.8 V锗管锗管0.20.3 V通常近似取通常近似取uD 硅管硅管0.7 V锗管锗管0.2 VOiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD即即 uD略有升高，略有升高，iD急剧急剧增大。增大。2反向特性反向特性 IS=硅管硅管小于小于微安微安锗管几十到几百锗管几十到几百微安微安OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD(BR)DUu(1)当当SDIi 时，时，。(2)当当(BR)DUu 时，时，反向

5、电流急剧增大，反向电流急剧增大，击穿的类型击穿的类型根据击穿可逆性分为根据击穿可逆性分为电击穿电击穿热击穿热击穿二极管发生反向击穿。二极管发生反向击穿。OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD降低反向电压，二极管仍能正常工作。降低反向电压，二极管仍能正常工作。PN结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。二极管发生反向击穿后，如果二极管发生反向击穿后，如果a.功耗功耗PD(=|UDID|)不大不大b.PN结的温度小于允许的最高结温结的温度小于允许的最高结温硅管硅管150200oC锗管锗管75100oC热击穿热击穿电击穿电击穿

6、)1(TVVseII温度每升高温度每升高1度，正度，正向压降减小向压降减小温度每升高温度每升高10度，反度，反相饱和电流增加相饱和电流增加1倍倍sTsTIIVIIVVlg.ln32温度对伏安特性的影响温度对伏安特性的影响温度对半导体二极管特性的影响温度对半导体二极管特性的影响1.当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。uD/T=（）（）mV/C2.温度升高温度升高，反向饱和电流增大。反向饱和电流增大。)(2)(0S10S0TITITT 即即 温度每升高温度每升高1C，管压降降低，管压降降低（）（）mV。即即 平均温度每升高平均温度每升高10C，反向饱和电

7、流增大一倍。，反向饱和电流增大一倍。不讲不讲 半导体二极管的主要电参数半导体二极管的主要电参数1.额定整流电流额定整流电流IF2.反向击穿电压反向击穿电压U(BR)管子长期运行所允许通管子长期运行所允许通过的电流平均值。过的电流平均值。二极管能承受的最高反二极管能承受的最高反向电压。向电压。OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD4.反向电流反向电流IR3.最高允许反向工作电压最高允许反向工作电压UR为了确保管子安全工作，所为了确保管子安全工作，所允许的最高反向电压。允许的最高反向电压。室温下加上规定的反向电室温下加上规定的反向电压时测得的电流。压时

8、测得的电流。OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uDUR=（1/22/3）U(BR)反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。大几十到几百倍。4.4.最高工作频率最高工作频率f fM M 最高工作频率是二极管工作的上限截止频率，超过最高工作频率是二极管工作的上限截止频率，超过此值时，由于结电容

9、的作用，二极管不能很好的体现单此值时，由于结电容的作用，二极管不能很好的体现单向导电性。向导电性。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。保护等等。000DDDDv v v vov压降为二极管开路时的外加二极管的压降 O/V 斜斜率率 D/VonDonDonDDVvVv Vv vov压降为二极管开路时的外加二极管的压降 O/VVon 斜斜率率 I/VVonV 70on.硅V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）V 20on.锗V（锗（锗 二极管典型值）二极

10、管典型值）导通压降：3 3折线模型折线模型:折线模型认为二极管的管压降不是恒折线模型认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻阻r rD D来作进一步的近似。其中电池的电压来作进一步的近似。其中电池的电压为二极管的门坎电压为二极管的门坎电压V Vthth或者说导通电压或者说导通电压V VD(on)D(on)。r rD D的值，可以这样来确定，如当二的值，可以这样来确定，如当二极管的导通电流为极管的导通电流为1mA1mA时，管压降为时，管压降为0 07V7V则：则：r

11、rD D=（0 07 V-07 V-05 V5 V）/（1mA1mA）=200=200 4.4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 则则DIVT 常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 四种模型比较：四种模型比较：1 1、理想模型误差大、理想模型误差大2 2、折线模型误差最小、折线模型误

12、差最小4 4、小信号模型只适用于二极管处于正向导通、小信号模型只适用于二极管处于正向导通且信号变化幅度较小的情况且信号变化幅度较小的情况3 3、恒压降模型应用最普遍、恒压降模型应用最普遍RLuiuouiuott1 1、二极管半波整流：、二极管半波整流：2、限幅电路限幅电路工作原理工作原理a.当当ui i较小使二极管较小使二极管D1、D2截止时截止时iiiiuRRRu 电路正常放大电路正常放大FiUu b.当当ui i使二极管使二极管D1 或或D2导通时导通时RD2ARi+iu D1+iu例题例题1 1不讲不讲uitO输入电压波形输入电压波形RD2ARi+iu D1+iu输入端电压波形输入端电压

13、波形uitOiu 2UFRD2ARi+iu D1+iuV Vi i V VR R时，二极管导通，时，二极管导通，v vo o=v=vi i。V Vi i V VR R时，二极管截止，时，二极管截止，v vo o=V=VR R。例例2 2：理想二极管电路中：理想二极管电路中 v vi i=Vm sint V=Vm sint V，求输出波形求输出波形v v0 0。解：利用二极管的利用二极管的单向导电性可单向导电性可作为电子开关作为电子开关vI1 vI2二极管工作状态D1 D2v00V 0V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V例例1111：求：求v

14、vI1I1和和v vI2I2不同值组合时的不同值组合时的v v0 0值（二极管为值（二极管为理想模型）。理想模型）。解：解：4、在检波电路中的应用（无线通信）在检波电路中的应用（无线通信）用音频信号去控制用音频信号去控制高频信号的幅值高频信号的幅值音频信号音频信号高频信号高频信号载波信号载波信号调制的过程调制的过程Otuu1tOu2Ot音频放大器音频放大器话筒话筒高频振荡器高频振荡器调调 制制 器器发发 射射 器器u2u1u不讲不讲 稳压二极管稳压二极管稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性特点特点a.正向特性与普通管类似正向特性与普通管类似稳压管稳压管通常工作于反通常工作于反向电击穿状态向

15、电击穿状态伏安特性伏安特性+iZuZuZQBAOUZiZIZ UZ IZ符号符号b.反向击穿特性很陡反向击穿特性很陡(1)(1)稳定电压稳定电压V VZ Z(2)(2)动态电阻动态电阻r rZ Z 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流I IZ Z下，所对应的反向工作电下，所对应的反向工作电压。压。r rZ Z=V VZ Z/I IZ Z(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 P PZMZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 I IZmax Zmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 I IZminZmin稳压条件：稳压条件：I IZminZmin I IZ Z 6V

16、管子出现雪崩击穿，管子出现雪崩击穿，U 为正；为正；UZ 4V 出现齐纳击穿，出现齐纳击穿，U 为负为负;4V UZ 6V，U可能为正，也可能为负。可能为正，也可能为负。U（5）温度系数）温度系数 定义：定义：硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路不讲不讲不讲不讲负载电阻负载电阻 。要求当输入电压由正常值发生要求当输入电压由正常值发生 20%20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例5mA 20mA,V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数稳压管的技术参数:k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过

17、稳压管的电流为流为I Iz zmax max。求：电阻求：电阻R R和输入电压和输入电压 u ui i 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1 1令输入电压降到下限令输入电压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为Izmin。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui一、一、发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时，发出一定波长时，发出一定波长范围的光，目前的范围的光，目前的发光管可以发出从发光管

18、可以发出从红外到可见波段的红外到可见波段的光，它的电特性与光，它的电特性与一般二极管类似。一般二极管类似。二、二、光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加三、变容二极管三、变容二极管(varicap)(varicap)利用二极管的结电容以及该电容大小与利用二极管的结电容以及该电容大小与外接电压有关的特点制成外接电压有关的特点制成.四、肖特基二极管四、肖特基二极管(SBD)(SBD)金属与金属与N N型半导体接触形成势垒，不存在少数载型半导体接触形成势垒，不存在少数载流子在流子在PNPN结附近积累和消散过程，电容效应非常适合结附近积

19、累和消散过程，电容效应非常适合高频。高频。电阻量程电阻量程 1 10 100 1k测得电阻值测得电阻值 31 210 1.1 k 11.5 k例例1 用万用表测量二极管的正向直流电阻用万用表测量二极管的正向直流电阻RF，选用，选用的量程不同，测得的电阻值相差很大。现用的量程不同，测得的电阻值相差很大。现用MF30 型型万用表测量某二极管的正向电阻，结果如下表，试分万用表测量某二极管的正向电阻，结果如下表，试分析所得阻值不同的原因。析所得阻值不同的原因。例题例题例例2:设二极管设二极管D1、D2为理想二极管，判断它们在图为理想二极管，判断它们在图1中是导通中是导通还是截止？并求还是截止？并求 U

20、o 解：解：假设假设D1、D2断开断开D1的阳极为的阳极为0V，阴极为，阴极为-9V;D2的阳极为的阳极为-12V，阴极为，阴极为-9V;D1导通，导通，D2截止，输出电压截止，输出电压=0例例3：在图在图a和和b所示的电路中，假设所示的电路中，假设D是理想的，其输入信号为是理想的，其输入信号为Ui=10sint(v)。分别画出它们的输出波形和传输特性。分别画出它们的输出波形和传输特性Uo=f(ui)。解：解：假设假设D断开，图断开，图a，D的阳极的阳极5V，当，当Ui5V时，时，D截止，截止，Uo=5V。图图b，D的阴极的阴极5V，Ui5V时，时，D导通，导通，Uo=5V；Ui5V时时，D截

21、止，截止，Uo=Ui。单向限幅单向限幅思考？思考？如果用恒压降模型，如果用恒压降模型，vo波形如何？波形如何？105-10例例4：双向限幅电路：如下图，设双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sint,利用恒压降模型，利用恒压降模型，画出输出波形。画出输出波形。Rvi(t)vo(t)D1D2解：解：恒压降模型电路为：恒压降模型电路为：V+3-3 假设假设D1D1、D2D2断开，断开，D1D1阴极，阴极，D2D2阳极，阳极，,D1,D1导通，导通，vovo；VDvi-0.7V,vi-0.7V,D2D2导通导通,vovo；,D1,D1、D2D2均截止均截止,vo=vivo=vi。Rvi(t)vo(

22、t)D1D2例例5：双向限幅电路：如下图，设双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sint,Vth，R=1K,rD=200,利用折线模型，画出输出波形。利用折线模型，画出输出波形。解：解：假折线模型电路为：假折线模型电路为：3-3 假设假设D1D1、D2D2断开，断开，D1D1阴极，阴极，D2D2阳极，阳极，Vth v vi-0.5V,D2-0.5V,D2导通导通,v,vo=(vi+Vth)rD/(R+rD)-Vth,V Vom；-0.7Vv-0.7Vvi0.7V,D10.5V,D10.5V,D1导通，导通，v vo=(v=(vi-V-Vth)r)rD/(R+r/(R+rD)+Vth,v)+V

23、th,vom；例例2-5:判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态判断方法：判断方法：正向偏置正向偏置VAVB，导通；，导通；反向偏置反向偏置VAVB，截止；，截止；解题方法：解题方法：断开二极管断开二极管2AP1，求求VA和和VB解：解：VA=15 10/(10+140)=1V；VB；VAVB，所以，二极管，所以，二极管2AP1截止。截止。本章小结本章小结 本章主要介绍了半导体二极管的基本结构、伏安特性、主要参数、等效模型及其工作电路的基本分析方法。具体归纳如下：1、一个PN结经封装并引出电极后就成了二极管。二极管和PN结一样具有单项导电性。即加正向电压导通，加反向电压截止。2、二极管的主要参数有最大整流电流、反向击穿电压、最高反向 工作电压、反向电流和最高工作频率等。3、由于二极管是非线性器件，为了便于分析计算，常在一定的条 件下采用二极管的简化模型来分析设计电路。应根据工作条件选择适当的模型。4、特殊二极管也具有单项导电性。利用PN结反向击穿时的特性可以制成稳压二极管；利用发光材料可以制成发光二极管；利用PN结的光敏特性可制成光电二极管等。