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1、1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 半导体二半导体二极管是由极管是由PNPN结结加上引出线和加上引出线和管壳构成的。管壳构成的。1 1、按照所用的半导体材料：、按照所用的半导体材料：可分为可分为锗管锗管和和硅管硅管。2 2、根据其不同用途：可分为、根据其不同用途：可分为检波二极管检波二极管、整流二极整流二极管管、稳压二极管稳压二极管、开关二极管开关二极管等。等。3 3、按照管芯结构：可分为、按照管芯结构：可分为点接触型二极管点接触型二极管、面接触面接触型二极管型二极管及及平面型二极管平面型二极管。一、二极管的分类一、二极管的分类PNPN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频
2、大电流整流电路。PNPN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于高频小电流电路。用于高频小电流电路。往往用于集成电路制造工艺中。往往用于集成电路制造工艺中。结面积大，则用于大功率整流。结面积大，则用于大功率整流。结面积小，则用于高频、脉冲结面积小，则用于高频、脉冲和开关电路中。和开关电路中。二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性 半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示据理论
3、推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示 当当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当当0VVon时，正向电流为零，时，正向电流为零，V Vthth称为开启电压。称为开启电压。当当VVon时，开始出现正时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。向电流，并按指数规律增长。硅硅二极管的二极管的Von=0.5 V左右，左右，锗锗二极管的二极管的Von=0.1 V左右。左右。当当V0即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的
4、反向电流也称压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流反向饱和电流IS。当当VVBR时，反向电流时，反向电流急剧增加，急剧增加，VBR称为称为反向击反向击穿电压穿电压 。这个特性也称反这个特性也称反向击穿特性。向击穿特性。温度升高时，由于少数载流温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流急剧增加。子增加，反向电流急剧增加。三、二极管的参数三、二极管的参数 最大整流电流最大整流电流IF 反向击穿电压反向击穿电压VBR由于电流通过由于电流通过PNPN结，使结，使得管子发热，电流达到得管子发热，电流达到一定程度，管子因过热一定程度，管子因过热而烧坏。而烧坏。最大反向工作电压最大反向工作电压V VR
5、MRM 指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。指管子反向击穿时的电压。指管子反向击穿时的电压。在实际工作时，最大反向工作电压在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。的一半计算。正向压降正向压降VF 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约的正向压降在中等电流水平下，约；锗二极管约锗二极管约。最高工作频率最高工作频率fM 二极管工作的上限频率，超过该频率，结电容起作用，二极管二极管工作的上限频
6、率，超过该频率，结电容起作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。将不能很好的体现单向导电性。反向电流反向电流IR 指管子未击穿之前的反向电流，其值愈小，则管子的单向导电指管子未击穿之前的反向电流，其值愈小，则管子的单向导电性愈好。性愈好。由于反向电流与温度有由于反向电流与温度有关，所以使用二极管时关，所以使用二极管时注意温度的影响。注意温度的影响。四、二极管等效电路四、二极管等效电路理想模型理想模型 电源电压远比二极管的压降电源电压远比二极管的压降大时可以认为：正向偏置时，二大时可以认为：正向偏置时，二极管的管压降为零伏；反向偏置极管的管压降为零伏；反向偏置时，认为它的电阻无穷大，电流时，认为
7、它的电阻无穷大，电流为零。为零。二极管是非线性器件，为了便于分析，常在一定的条件下，用二极管是非线性器件，为了便于分析，常在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管。该电路成为二极管的等线性元件所构成的电路来近似模拟二极管。该电路成为二极管的等效电路。效电路。二极管基本电路如图所示，二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用应用理想模型求解电路的理想模型求解电路的VD和和ID。ID=（VDD-VD）R =（10-0）V10K =1mA VD=0V恒压降模型恒压降模型 当流过二极管的电流近当流过二极管的电流近似等于或大于似等于或大于1mA时，可以时，可以认为二极管导通后，管压降认为
8、二极管导通后，管压降是恒定的，且不随电流而变；是恒定的，且不随电流而变；硅管为伏，锗管为伏。硅管为伏，锗管为伏。硅硅二极管基本电路如图所示，二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用恒压降模型求解电路的应用恒压降模型求解电路的VD和和I ID D。VD ID=（VDD-VD）R =（10-0.7）V10K 折线模型折线模型 为了较真实地描述二极管的为了较真实地描述二极管的V-IV-I特性，在恒压降模型的基础特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，即认为二上，作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而极管的管压降不是恒定的，而是随着流过二极管电流的增加是随着流过二极管电流的增加而增加，
9、所以在模型中用一个而增加，所以在模型中用一个电池和电阻来作进一步的近似。电池和电阻来作进一步的近似。电池的电压为门坎电压电池的电压为门坎电压Von，它它的电阻为的电阻为 硅二极管基本电路如图所示，硅二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应应用折线模型求解电路的用折线模型求解电路的VD和和ID。rD=(V-VthID=（VDD-Vth）(R+rD)=（10-0.5）V(10+0.2)K =0.931mA VD=VDD-IDR =10-0.93110小信号模型小信号模型 如果二极管工作在如果二极管工作在V-IV-I特性特性的某一小范围内工作时，则可以的某一小范围内工作时，则可以把把V-IV-I特
10、性看成一条直线，其斜特性看成一条直线，其斜率的倒数就是微变电阻率的倒数就是微变电阻 rd1、限幅电路：、限幅电路：它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。输一部分。一限幅电路如图所示，一限幅电路如图所示，R=1K，VREF=3V。当当Ui=6sint(V)时，利用时，利用恒压降模型恒压降模型绘出相应的输出电压绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的波形。二极管的恒压降为的恒压降为V。Ui时D截止，UO=Ui;Ui时D导通，UO五、二极管应用举例五、二极管应用举例2 2、开关电路：、开关电路：利用二极管的单向导电性以接通或断开电路，这在利用
11、二极管的单向导电性以接通或断开电路，这在数字电路中广泛应用。数字电路中广泛应用。二极管开关电路如图所示，当二极管开关电路如图所示，当U Ui1i1和和U Ui2i2为为0 0V V或或5 5V V时，求时，求U Ui1i1和和U Ui2i2的值不同组合情况下，输出电压的值不同组合情况下，输出电压U Uo o的值。设二极管是理想的值。设二极管是理想的。的。Ui1 Ui2(单位V)二极管工作状态UO(单位V)D1D20 00 55 05 5截止截止截止截止导通导通导通导通05553 3、整流电路：、整流电路：将交流电压转换成脉动的直流电压。将交流电压转换成脉动的直流电压。单相桥式整流电路如图所示，
12、电源单相桥式整流电路如图所示，电源U US S为正弦波电压，试绘出为正弦波电压，试绘出负载负载RL两端的电压波形，设二极管为理想的。两端的电压波形，设二极管为理想的。Ui0V时D2、D3导通，UO=UiUi0V时D4、D1导通，UO=-Ui六、特殊二极管六、特殊二极管稳压管稳压管 稳压管又称齐纳二极管，稳压管又称齐纳二极管，它是一种特殊工艺制造的半它是一种特殊工艺制造的半导体二极管。它的符号如图导体二极管。它的符号如图所示。所示。1、稳压管的伏安特性、稳压管的伏安特性 稳压管的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，稳压管的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，该区域也很窄，容易形成
13、强电场（强电场容易引起齐纳击穿）。该区域也很窄，容易形成强电场（强电场容易引起齐纳击穿）。当反向电压加到某一定值当反向电压加到某一定值时时VZ ，产生反向击穿，反向电，产生反向击穿，反向电流急剧增加，流急剧增加，只要控制反向电只要控制反向电流不超过一定值流不超过一定值，管子就不会，管子就不会损坏。损坏。2、稳压管的主要参数、稳压管的主要参数 稳定电压稳定电压VZ 指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为3V，高的可达高的可达300V，它的正向电压约为它的正向电压约为V。稳定电流稳定电流IZ（Izmin Izmax）指稳压管
14、工作在稳压状态时的参考电流。电流低于指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于Izmin时稳压效时稳压效果变坏，甚至根本不稳压；只要不超过稳压管的额定功率，电流越果变坏，甚至根本不稳压；只要不超过稳压管的额定功率，电流越大，稳压效果越好。大，稳压效果越好。额定功耗额定功耗PZM 指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。温度系数温度系数 指温度每变化指温度每变化1 1时稳压值的变化量。时稳压值的变化量。VZ小于小于4V的管子具有负温的管子具有负温度系数，度系数，VZ大于大于7V的管子具有正温度系数。的管子具有正温度系数。4V至至7V的管子温度系的管子温度
15、系数非常小。数非常小。动态电阻动态电阻rz 指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡，动态电阻指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。愈小，稳压管的稳压性能愈好。接法：接法：反接反接电阻电阻R的作用：的作用：限流限流RL代表：代表：负载负载RL IO IR VO IZ IR VO 工作区：工作区：反向击穿反向击穿3、稳压管的基本电路、稳压管的基本电路 稳压电路如图所示，直流输入电压稳压电路如图所示，直流输入电压V VI I的电压在的电压在12VV之间。负载之间。负载为为9V的收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为的收音机，当它的音量最大时，需
16、供给的功率为W。稳压管的稳压管的VZ=9V，稳定电流稳定电流IZmin=5mA，额定功率为额定功率为1W，R=51。试分析稳试分析稳压管电路能否正常工作。压管电路能否正常工作。收音机所需电流收音机所需电流流过流过R R的电流为的电流为流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为由于收音机音量最大时，稳压管流过的电流由于收音机音量最大时，稳压管流过的电流稳压管的稳定电流范围为：稳压管的稳定电流范围为：所以所以稳压管失去了稳压作用。稳压管失去了稳压作用。光电二极管光电二极管 光电二极管的结构与普通二极管类似，但在它的光电二极管的结构与普通二极管类似，但在它的PNPN结处，通结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能
17、接收外部的光照。这种器件的过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PNPN结在结在反反向偏置状态向偏置状态下运行，它的反向电流随光照度的增加而上升。它的符下运行，它的反向电流随光照度的增加而上升。它的符号如图所示。号如图所示。接法：接法：反接反接工作区工作区：反向偏置反向偏置作用：作用：把光信号转换成电信号把光信号转换成电信号发光二极管发光二极管 发光二极管是通过电流时发光的一种器件，这是由于电子与空发光二极管是通过电流时发光的一种器件，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。发出的光的波长由所使用的基本材穴直接复合而放出能量的结果。发出的光的波长由所使用的基本材料而定。它的符号如图所示。料而定。它的符号如图所示。工作区工作区：正向偏置正向偏置接法：接法：正接正接作用：作用：把电信号转换成光信号把电信号转换成光信号主要应用：主要应用：作为显示器件作为显示器件作业作业1-1