半導體二極管及其電路

第第2 2章章 半導體二極管及其電路半導體二極管及其電路本章內容本章內容2.12.1半導體二極管半導體二極管2.22.2穩壓二極管穩壓二極管2.32.3其他類型二極管其他類型二極管2.12.1半導體二極管半導體二極管1.1.半導體二極管的結構半導體二極管的結構2.2.二極管的伏安特性二極管的伏安特性3.3.二極管的參數二極管的參數4.4.二極管的等效模型二極管的等效模型5.5.二極管應用電路二極管應用電路本節要掌握以下五個內容本節要掌握以下五個內容 在在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平點接觸型、面接觸型和平面型面型三大類。三大類。(1)點接觸型二極管點接觸型二極管 PN結面積小，結電結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等容小，用于檢波和變頻等高頻電路。高頻電路。(a)(a)點接觸型點接觸型 二極管的結構示意圖二極管的結構示意圖(3)平面型二極管平面型二極管 往往用于集成電路制造往往用于集成電路制造藝中。藝中。PN 結面積可大可小，結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管面接觸型二極管 PN結面積大，用結面積大，用于工頻大電流整流電路。于工頻大電流整流電路。(b)(b)面接觸型面接觸型(c)(c)平面型平面型陰極陰極引線引線陽極陽極引線引線PNP 型支持襯底型支持襯底(4)二極管的代表符號二極管的代表符號(d)代表符號代表符號k 陰極陰極陽極陽極 a半導體二極管圖片2.1.2 半導體二極管的伏安特性半導體二極管的伏安特性 硅管硅管00.8反向特性反向特性正向特性正向特性擊擊穿穿特特性性mA/DiV/Du00.8反向特性反向特性鍺管鍺管正向特性正向特性mA/DiV/DuuDiD)(DDufi (1)近似呈現為指數曲線，即近似呈現為指數曲線，即TUuIiDeSD(2)有死區有死區（iD0的區域的區域)1正向特性正向特性死區電壓約為死區電壓約為硅管硅管0.5 V鍺管鍺管0.1 VOiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區死區電壓電壓U(BR)反向特性反向特性uD(3)導通后（即導通后（即uD大于死區電壓后）大于死區電壓后）TTUuUiUIdudiTDSDD1eD 管壓降管壓降uD 約為約為硅管硅管0.60.8 V鍺管鍺管0.20.3 V通常近似取通常近似取uD 硅管硅管0.7 V鍺管鍺管0.2 VOiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區死區電壓電壓U(BR)反向特性反向特性uD即即 uD略有升高，略有升高，iD急劇急劇增大。增大。2反向特性反向特性 IS=硅管硅管小于小于0.1微安微安鍺管幾十到幾百鍺管幾十到幾百微安微安OiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區死區電壓電壓U(BR)反向特性反向特性uD(BR)DUu(1)當當SDIi 時，時，。(2)當當(BR)DUu 時，時，反向電流急劇增大，反向電流急劇增大，擊穿的類型擊穿的類型根據擊穿可逆性分為根據擊穿可逆性分為電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿二極管發生反向擊穿。二極管發生反向擊穿。OiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區死區電壓電壓U(BR)反向特性反向特性uD降低反向電壓，二極管仍能正常工作。降低反向電壓，二極管仍能正常工作。PN結被燒壞，造成二極管永久性的損壞。結被燒壞，造成二極管永久性的損壞。二極管發生反向擊穿后，如果二極管發生反向擊穿后，如果a.功耗功耗PD(=|UDID|)不大不大b.PN結的溫度小于允許的最高結溫結的溫度小于允許的最高結溫硅管硅管150200oC鍺管鍺管75100oC熱擊穿熱擊穿電擊穿電擊穿)1(TVVseII溫度每升高溫度每升高1度，正度，正向壓降減小向壓降減小22.5mV溫度每升高溫度每升高10度，反度，反相飽和電流增加相飽和電流增加1倍倍sTsTIIVIIVVlg.ln32溫度對伏安特性的影響溫度對伏安特性的影響溫度對半導體二極管特性的影響溫度對半導體二極管特性的影響1.當溫度上升時，死區電壓、正向管壓降降低。當溫度上升時，死區電壓、正向管壓降降低。uD/T=（22.5）mV/C2.溫度升高溫度升高，反向飽和電流增大。反向飽和電流增大。)(2)(0S10S0TITITT 即即 溫度每升高溫度每升高1C，管壓降降低，管壓降降低（22.5）mV。即即 平均溫度每升高平均溫度每升高10C，反向飽和電流增大一倍。，反向飽和電流增大一倍。不講不講2.1.4 半導體二極管的主要電參數半導體二極管的主要電參數1.額定整流電流額定整流電流IF2.反向擊穿電壓反向擊穿電壓U(BR)管子長期運行所允許通管子長期運行所允許通過的電流平均值。過的電流平均值。二極管能承受的最高反二極管能承受的最高反向電壓。向電壓。OiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區死區電壓電壓U(BR)反向特性反向特性uD4.反向電流反向電流IR3.最高允許反向工作電壓最高允許反向工作電壓UR為了確保管子安全工作，所為了確保管子安全工作，所允許的最高反向電壓。允許的最高反向電壓。室溫下加上規定的反向電室溫下加上規定的反向電壓時測得的電流。壓時測得的電流。OiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區死區電壓電壓U(BR)反向特性反向特性uDUR=（1/22/3）U(BR)反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。大幾十到幾百倍。4.4.最高工作頻率最高工作頻率f fM M 最高工作頻率是二極管工作的上限截止頻率，超過最高工作頻率是二極管工作的上限截止頻率，超過此值時，由于結電容的作用，二極管不能很好的體現單此值時，由于結電容的作用，二極管不能很好的體現單向導電性。向導電性。以上均是二極管的直流參數，二極管的應用是以上均是二極管的直流參數，二極管的應用是主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、保護等等。保護等等。000DDDDv v v vov壓降為二極管開路時的外加二極管的壓降 O/V 斜斜率率 D/VonDonDonDDVvVv Vv vov壓降為二極管開路時的外加二極管的壓降 O/VVon 斜斜率率 I/VVonV 70on.硅V（硅二極管典型值）（硅二極管典型值）V 20on.鍺V（鍺（鍺 二極管典型值）二極管典型值）導通壓降：3 3折線模型折線模型:折線模型認為二極管的管壓降不是恒折線模型認為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過二極管電流的增加而定的，而是隨著通過二極管電流的增加而增加，所以在模型中用一個電池和一個電增加，所以在模型中用一個電池和一個電阻阻r rD D來作進一步的近似。其中電池的電壓來作進一步的近似。其中電池的電壓為二極管的門坎電壓為二極管的門坎電壓V Vthth或者說導通電壓或者說導通電壓V VD(on)D(on)。r rD D的值，可以這樣來確定，如當二的值，可以這樣來確定，如當二極管的導通電流為極管的導通電流為1mA1mA時，管壓降為時，管壓降為0 07V7V則：則：r rD D=（0 07 V-07 V-05 V5 V）/（1mA1mA）=200=200 4.4.小信號模型小信號模型 二極管工作在正向特性的某一小范二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。變電阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根據根據得得Q點處的微變電導點處的微變電導QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 則則DIVT 常溫下（常溫下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 四種模型比較：四種模型比較：1 1、理想模型誤差大、理想模型誤差大2 2、折線模型誤差最小、折線模型誤差最小4 4、小信號模型只適用于二極管處于正向導通、小信號模型只適用于二極管處于正向導通且信號變化幅度較小的情況且信號變化幅度較小的情況3 3、恒壓降模型應用最普遍、恒壓降模型應用最普遍RLuiuouiuott1 1、二極管半波整流：、二極管半波整流：2、限幅電路限幅電路工作原理工作原理a.當當ui i較小使二極管較小使二極管D1、D2截止時截止時iiiiuRRRu 電路正常放大電路正常放大FiUu b.當當ui i使二極管使二極管D1 或或D2導通時導通時RD2ARi+iu D1+iu例題例題1 1不講不講uitO輸入電壓波形輸入電壓波形RD2ARi+iu D1+iu輸入端電壓波形輸入端電壓波形uitOiu 2UFRD2ARi+iu D1+iuV Vi i V VR R時，二極管導通，時，二極管導通，v vo o=v=vi i。V Vi i V VR R時，二極管截止，時，二極管截止，v vo o=V=VR R。例例2 2：理想二極管電路中：理想二極管電路中 v vi i=Vm=Vm sint V sint V，求輸出波形求輸出波形v v0 0。解：利用二極管的利用二極管的單向導電性可單向導電性可作為電子開關作為電子開關vI1 vI2二極管工作狀態D1 D2v00V 0V導通 導通導通 截止截止 導通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V例例1111：求：求v vI1I1和和v vI2I2不同值組合時的不同值組合時的v v0 0值（二極管為值（二極管為理想模型）。理想模型）。解：解：4、在檢波電路中的應用（無線通信）在檢波電路中的應用（無線通信）用音頻信號去控制用音頻信號去控制高頻信號的幅值高頻信號的幅值音頻信號音頻信號高頻信號高頻信號載波信號載波信號調制的過程調制的過程Otuu1tOu2Ot音頻放大器音頻放大器話筒話筒高頻振蕩器高頻振蕩器調調 制制 器器發發 射射 器器u2u1u不講不講2.2 穩壓二極管穩壓二極管2.2.1穩壓二極管的伏安特性穩壓二極管的伏安特性特點特點a.正向特性與普通管類似正向特性與普通管類似穩壓管穩壓管通常工作于反通常工作于反向電擊穿狀態向電擊穿狀態伏安特性伏安特性+iZuZuZQBAOUZiZIZ UZ IZ符號符號b.反向擊穿特性很陡反向擊穿特性很陡(1)(1)穩定電壓穩定電壓V VZ Z(2)(2)動態電阻動態電阻r rZ Z 在規定的穩壓管反向工作在規定的穩壓管反向工作電流電流I IZ Z下，所對應的反向工作電下，所對應的反向工作電壓。壓。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)最大穩定工作電流最大穩定工作電流 I IZmaxZmax 和最小穩定工作電流和最小穩定工作電流 I IZminZmin穩壓條件：穩壓條件：I IZminZmin I IZ Z 6V管子出現雪崩擊穿，管子出現雪崩擊穿，U 為正；為正；UZ 4V 出現齊納擊穿，出現齊納擊穿，U 為負為負;4V UZ 6V，U可能為正，也可能為負?？赡転檎?，也可能為負。U（5）溫度系數）溫度系數 定義：定義：硅穩壓管穩壓電路硅穩壓管穩壓電路不講不講不講不講負載電阻負載電阻 。要求當輸入電壓由正常值發生要求當輸入電壓由正常值發生 20%20%波動時，負載電壓基本不變。波動時，負載電壓基本不變。穩壓二極管的應用舉例穩壓二極管的應用舉例5mA 20mA,V,10minmaxzzzWIIU穩壓管的技術參數穩壓管的技術參數:k2LR解：令輸入電壓達到上限時，流過穩壓管的電解：令輸入電壓達到上限時，流過穩壓管的電流為流為I Iz zmaxmax 。求：電阻求：電阻R R和輸入電壓和輸入電壓 u ui i 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1 1令輸入電壓降到下限令輸入電壓降到下限時，流過穩壓管的電時，流過穩壓管的電流為流為Izmin。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL聯立方程聯立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui一、一、發光二極管發光二極管有正向電流流過有正向電流流過時，發出一定波長時，發出一定波長范圍的光，目前的范圍的光，目前的發光管可以發出從發光管可以發出從紅外到可見波段的紅外到可見波段的光，它的電特性與光，它的電特性與一般二極管類似。一般二極管類似。二、二、光電二極管光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加照度增加三、變容二極管三、變容二極管(varicap(varicap)利用二極管的結電容以及該電容大小與利用二極管的結電容以及該電容大小與外接電壓有關的特點制成外接電壓有關的特點制成.四、肖特基二極管四、肖特基二極管(SBD)(SBD)金屬與金屬與N N型半導體接觸形成勢壘，不存在少數載型半導體接觸形成勢壘，不存在少數載流子在流子在PNPN結附近積累和消散過程，電容效應非常適合結附近積累和消散過程，電容效應非常適合高頻。高頻。電阻量程電阻量程 1 10 100 1k測得電阻值測得電阻值 31 210 1.1 k 11.5 k例例1 用萬用表測量二極管的正向直流電阻用萬用表測量二極管的正向直流電阻RF，選用，選用的量程不同，測得的電阻值相差很大?，F用的量程不同，測得的電阻值相差很大?，F用MF30 型型萬用表測量某二極管的正向電阻，結果如下表，試分萬用表測量某二極管的正向電阻，結果如下表，試分析所得阻值不同的原因。析所得阻值不同的原因。例題例題例例2:設二極管設二極管D1、D2為理想二極管，判斷它們在圖為理想二極管，判斷它們在圖1中是導通中是導通還是截止？并求還是截止？并求 Uo 解：解：假設假設D1、D2斷開斷開D1的陽極為的陽極為0V，陰極為，陰極為-9V;D2的陽極為的陽極為-12V，陰極為，陰極為-9V;D1導通，導通，D2截止，輸出電壓截止，輸出電壓=0例例3：在圖在圖a和和b所示的電路中，假設所示的電路中，假設D是理想的，其輸入信號為是理想的，其輸入信號為Ui=10sint(v)。分別畫出它們的輸出波形和傳輸特性。分別畫出它們的輸出波形和傳輸特性Uo=f(ui)。解：解：假設假設D斷開，圖斷開，圖a，D的陽極的陽極5V，當，當Ui5V時，時，D截止，截止，Uo=5V。圖圖b，D的陰極的陰極5V，Ui5V時，時，D導通，導通，Uo=5V；Ui0.7Vvi0.7V,D1,D1導通，導通，vovo=0.7V=0.7V；VDvi-0.7V,vi-0.7V,D2D2導通導通,vovo=-0.7V=-0.7V；-0.7Vvi0.7V-0.7Vvi0.7V,D1,D1、D2D2均截止均截止,vovo=vi=vi。Rvi(t)vo(t)D1D2例例5：雙向限幅電路：如下圖，設雙向限幅電路：如下圖，設vi(t)=3sint,Vth=0.5V，R=1K,rD=200,利用折線模型，畫出輸出波形。利用折線模型，畫出輸出波形。解：解：假折線模型電路為：假折線模型電路為：0.923-30.5-0.5 假設假設D1D1、D2D2斷開，斷開，D1D1陰極陰極0.5V0.5V，D2D2陽極陽極-0.5V-0.5V，-0.92Vth v vi-0.5V,D2-0.5V,D2導通導通,v,vo=(vi+Vth)rD/(R+rD)-Vth,V Vom=-0.92V=-0.92V；-0.7Vv-0.7Vvi0.7V,D10.5V,D10.5V,D1導通，導通，v vo=(v=(vi-V-Vth)r)rD/(R+r/(R+rD)+Vth,v)+Vth,vom=0.92V=0.92V；例例2-5:判斷二極管的工作狀態判斷二極管的工作狀態判斷方法：判斷方法：正向偏置正向偏置VAVB，導通；，導通；反向偏置反向偏置VAVB，截止；，截止；解題方法：解題方法：斷開二極管斷開二極管2AP1，求求VA和和VB解：解：VA=15 10/(10+140)=1V；VB=-102/(18+2)+155/(25+5)=1.5V；VAVB，所以，二極管，所以，二極管2AP1截止。截止。本章小結本章小結 本章主要介紹了半導體二極管的基本結構、伏安特性、主要參數、等效模型及其工作電路的基本分析方法。具體歸納如下：1、一個PN結經封裝并引出電極后就成了二極管。二極管和PN結一樣具有單項導電性。即加正向電壓導通，加反向電壓截止。2、二極管的主要參數有最大整流電流、反向擊穿電壓、最高反向 工作電壓、反向電流和最高工作頻率等。3、由于二極管是非線性器件，為了便于分析計算，常在一定的條 件下采用二極管的簡化模型來分析設計電路。應根據工作條件選擇適當的模型。4、特殊二極管也具有單項導電性。利用PN結反向擊穿時的特性可以制成穩壓二極管；利用發光材料可以制成發光二極管；利用PN結的光敏特性可制成光電二極管等。