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1、第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路 11 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 12 PN结及晶体二极管结及晶体二极管 13 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路14 其它二极管简介其它二极管简介 第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路11半导体物理基础知识 按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从
2、半导体的原子结构谈起。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。与价电子密切相关，所以为了突出价电子的作用，我们采用图11所示的简化原子结构模型。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图11原子的简化模型第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶
3、中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。图12是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图12单晶硅和锗的共价键结构示意图第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路一、半导体中的载流子一、半导体中的
4、载流子自由电子和空穴自由电子和空穴在绝对零度(-273)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，如图13所示。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图13本征激发产生电子和空穴第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、本征载流子浓度二、本征载流子浓度在本征半导体中，由于本征激发，不断地产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负
5、电荷相吸引，因而，会使电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。显然，载流子浓度越大，复合的机会就越多。这样在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路式中ni,pi分别表示电子和空穴的浓度(cm3)；T为热力学温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV,锗为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数(8.63106V/K)；A0是 与 半 导 体 材
6、 料 有 关 的 常 数(硅 为3.871016cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-3/2)。(11)第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路112杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路一、一、N型半导体型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原
7、子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图14所示。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图14N型半导体原子结构示意图第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、二、P型半导体型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1-5所示。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图15P型半导体原子结构示意图第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极
8、管及其基本电路三、杂质半导体的载流子浓度三、杂质半导体的载流子浓度在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。即对N型半导体，多子nn与少子pn有第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路对P型半导体，多子pp与少子np有(12a)(12b)(13a)(13b)第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路由以上分析可知，本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内
9、载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。对于多子，通过控制掺杂浓度可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，主要由本征激发决定，因掺杂使其浓度大大减小，但温度变化时，由于ni的变化，会使少子浓度有明显变化。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路113半导体中的电流半导体中的电流了解了半导体中的载流子情况之后，我们来讨论它的电流。在半导体中有两种电流。一、漂移电流一、漂移电流在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路半导体中有两种载流子电子和空穴
10、，当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流In，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流Ip。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即I=In+Ip漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、扩散电流二、扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即浓
11、度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。反映在浓度分布曲线上(见图16)，即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图16半导体中载流子的浓度分布第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路12 PN结及晶体二极管结及晶体二极管 通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨
12、论晶体二极管的特性。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路121 PN结的形成结的形成P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图17(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图17(b)所示。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图17PN结的形成第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体
13、二极管及其基本电路开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图17(b)所示。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。实际中，如果P区和
14、N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，见图17(b)。如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图1-8(a),(b)所示。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图18不对称PN结第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路122 PN结的单向导电特性结的单向导电特性 一、一、PN结加正向电压结加正向电压 使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图1-9所第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路
15、图19正向偏置的PN结第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、二、PN结加反向电压结加反向电压使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)。由于反向电压与UB的极性一致，因而耗尽区两端的电位差变为UB+U，如图110所示。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图110反向偏置的PN结第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路三、三、PN结电流方程结电流方程 理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为i=IS(equ/kT-1)=IS(eu/UT-1)(14)式中，IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料
16、、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时，UT=26mV。这是一个今后常用的参数。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路由式(14)可知，加正向电压时，u只要大于UT几倍以上，iIseu/U-T，即i随u呈指数规律变化；加反向电压时，|u|只要大于UT几倍以上，则iIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。因此，式(14)的结果与上述的结论完全一致。由式(14)可画出PN结的伏安特性曲线，如图111所示。图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路123 P
17、N结的击穿特性结的击穿特性 由图111看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图111PN结的伏安特性第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路一、雪崩击穿一、雪崩击穿 在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会
18、撞出新的电子、空穴对。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、齐纳击穿二、齐纳击穿 在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿；UBR5V时为齐纳击穿；UBR介于57V时，两种击穿都有。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路124PN结的电容特性结的电容特性PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。一、势垒电容
19、一、势垒电容 从PN结的结构看，在导电性能较好的P区和N区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似。当外加电压增大时，多子被推向耗尽区，使正、负离子减少，相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时，多子被推离耗尽区，使正、负离子增多，相当于存贮的电荷量增加。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CT表示。经推导，CT可表示为(15)式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；n为变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/36之间。第
20、第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、扩散电容二、扩散电容 正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用图1-12中P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图112P区少子浓度分布曲线第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的增加量Qp。这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用CD表示。如果引起Qn,Qp的电压变化量为u，则(16)对PN+结，可以忽略Qp/u项。经理论
21、分析可得第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路式中：n为P区非平衡电子的平均命；I为PN结电流，由式(14)确定。由式(15)、(16)可知，CT、CD都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj=CT+CD。正偏时以CD为主，CjCD，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主，CjCT,其值通常为几至几十pF。因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路125 PN结的温度特性结的温度特性 PN结特性对
22、温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移，如图111中虚线所示。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减小约22.5mV，即u/T-(22.5)mV/(17)温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。如果温度为T1时，IS=IS1；温度为T2时，IS=IS2，则(18)第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150200)，对锗材料约
23、为(75100)。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路13 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路 晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如图1-13(a),(b)所示。符号中，接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路利用PN结的特性，可以制作多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广。本节主要讨论普通二极管及其基本应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。第第1
24、章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图113晶体二极管结构示意图及电路符号(a)结构示意图；(b)电路符号第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路131二极管特性曲线二极管特性曲线普通二极管的典型伏安特性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异。由图可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图114二极管伏安特性曲线第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路131二极管特性曲线二极管特性曲线普通二极管的典型伏安特
25、性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异。由图可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路一、正向特性一、正向特性正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压，用UD(on)表示。室温下，硅管的UD(on)=(0.50.6)V，锗管的UD(on)=(0.10.2)V。正向特性在小电流时，呈现出指数变化规律，电流较大以后近似按直线上升。这是因为大电流时，P区、N区体电阻和引线接触电阻的作用明显了，使电流、电压近似呈线性关系。
26、第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、反向特性二、反向特性由于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想PN结的IS大得多。而且反向电压加大时，反向电流也略有增大。尽管如此，对于小功率二极管，其反向电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十微安。两极管的反向击穿以及温度对二极管特性的影响，均与PN结相同。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路132 二极管的主要参数二极管的主要参数器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是我们合理选择和正确使用器件的依据。参数一般可以从产品手册中查到，也可以通过直接测量得到。下面介绍晶体二极管的主要参数
27、及其意义。一、直流电阻RDRD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压增大而增大。RD的几何意义见图115(a)，即Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数。显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD。(19)第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图115二极管电阻的几何意义(a)直流电阻RD；(b)交流电阻rD第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、交流电阻二、交流电阻rDrD定义为：二极管在其工作状态(IDQ
28、,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即(110)rD的几何意义见图115(b)，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。rD可以通过对式(14)求导得出，即(111)第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路可见rD与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。室温条件下(T=300K):通过对二极管交、直流电阻的分析可知，由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。(112)第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路三、最大整流电流三、最大整流电流IF IF
29、指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。四、最大反向工作电压四、最大反向工作电压URMURM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过此值容易发生反向击穿。通常取UBR的一半作为URM。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路五、反向电流五、反向电流IR IR指二极管未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用时应注意IR的温度条件。六、最高工作频率六、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。需要指出，由于器件参数分散性较大，手册中给出的一般为典型值；必要时应
30、通过实际测量得到准确值。另外，应注意参数的测试条件，当运用条件不同时，应考虑其影响。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路133晶体二极管模型晶体二极管模型对电子线路进行定量分析时，电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效，根据分析手段及要求的不同，器件模型将有所不同。例如，借助计算机辅助分析，则允许模型复杂，以保证分析结果尽可能精确。而在工程分析中，则力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。下面我们将依据二极管的实际工作条件，引出工程上便于分析的二极管模型。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其
31、非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图116二极管特性的折线近似及电路模型第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图116二极管特性的折线近似及电路模型第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路134二极管基本应用电路二极管基本应用电路 利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。一、二极管整流电路一、二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图117(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通
32、(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，uo=0。其输入、输出波形见图117(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图117二极管半波整流电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、二极管限幅电路二、二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图118所示.第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图118限幅电路的传输特性第第1章章
33、晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路一个简单的上限幅电路如图119(a)所示。利用图116(c)的二极管模型可知，当uiE+UD(on)=2.7V时，V导通，uo=2.7V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui2.7V时，V截止，二极管支路开路，uo=ui。图119(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。可见，上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平了。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图119二极管上限幅电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路三、二极管电平选择电路三、二极管电平
34、选择电路 从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图120(a)所示。设两路输入信号u1,u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能导通，但实际上若u1u2，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2u1，则V2导通，使V1截止。只有当u1=u2时，V1,V2才能都导通。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路可见，该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图120(b)画出了当u1,u2为方波时，输出端选出的低电平波形。如果把高于2.3V的电平当作高电平，并作为逻辑1，把低于0.7V的电平当作低电平，并作
35、为逻辑0，由图120(b)可知，输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，该电路也称为与门电路。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图120二极管低电平选择电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路将图120(a)电路中的V1,V2反接，将E改为负值，则变为高电平选择电路。如果输入也为数字量，则该电路就变为或门电路(见习题18)。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路135稳压二极管及稳压电路稳压二极管及稳压电路稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限
36、幅电路之外，主要用于稳压电路。一、稳压二极管的特性一、稳压二极管的特性 稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图121所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图1-21稳压二极管及其特性曲线（a)电路符号（b)伏安特性曲线第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路这表明，稳压二极管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳
37、压二极管的安全。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路二、稳压二极管的主要参数二、稳压二极管的主要参数 1.稳定电压稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管，UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。2额定功耗额定功耗PZ PZ是由管子结温限制所限定的参数。PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路3稳压电流稳压电流IZ IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大
38、值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmax的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路4 动态电阻动态电阻rZ rZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。rZ随工作电流增大而减小。rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路5 温度系数温度系数是反映稳定电压值受温度影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。通常，UZ7V时具有正温度系
39、数(因雪崩击穿具有正温系数)；而UZ在5V到7V之间时，温度系数可达最小。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路三、稳压二极管稳压电路三、稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路如图122所示。图中Ui为有波动的输入电压，并满足UiUZ。R为限流电阻，RL为负载。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图122稳压二极管稳压电路第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路下面来说明限流电阻R的选择方法。由图121可知，当Ui,RL变化时，IZ应始终满足IzminIZRmax的结果，则说明在给定条件下，已超出了VZ管的稳压工作范围。这时，需要改变使用条件
40、或重新选择大容量稳压二极管，以满足RminRmax。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路14 其它二极管简介其它二极管简介 141变容二极管变容二极管如前所述，PN结加反向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压增大而减小。利用这一特性制作的二极管，称为变容二极管。它的电路符号如图123所示。变容二极管的结电容与外加反向电压的关系由式(15)决定。它的主要参数有：变容指数、结电容的压控范围及允许的最大反向电压等。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图123变容二极管符号第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路142 肖特基二极管肖特基二
41、极管 当金属与N型半导体接触时，在其交界面处会形成势垒区，利用该势垒制作的二极管，称为肖特基二极管或表面势垒二极管。它的原理结构图和对应的电路符号如图124所示。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图124肖特基二极管结构与符号(a)结构示意图；(b)电路符号第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路143 光电二极管光电二极管 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。图125示出了光电二极管的电路符号，其中，受光照区的电极为前级，不受光照区的电极为后级。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图125光电二极管符号第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路144 发光二极管发光二极管 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成，其电路符号如图126所示。当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。第第1章章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路图126发光二极管符号