第三講-半導(dǎo)體二極管

1、o主要內(nèi)容 n二極管的結(jié)構(gòu) n二極管的分類(lèi) n二極管的特性 n二極管的主要參數(shù) n二極管的測(cè)試 n二極管電路的分析 n特殊二極管 o目的要求 n了解二極管的結(jié)構(gòu)及分類(lèi) n掌握二極管的特性及其應(yīng)用 n理解二極管的主要參數(shù) n了解特殊二極管的應(yīng)用，掌握穩(wěn)壓二極管的工作原理 o重點(diǎn)：二極管的外特性及其應(yīng)用 將PN 結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再?gòu)腜 區(qū)和N 區(qū)分別焊出兩 根引線(xiàn)作陽(yáng)、陰極。 一、二極管的結(jié)構(gòu) 符號(hào) 一、二極管的結(jié)構(gòu) 一、二極管的結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管的舞臺(tái)效果 二、二極管的類(lèi)型 o按材料分 n硅二極管 n鍺二極管 o按結(jié)構(gòu)分 n點(diǎn)接觸型二極管-不允許通過(guò)較大的電流，可在高頻下工作 n面

2、接觸型二極管-結(jié)面積大，允許流過(guò)的電流大，但只能在較低頻率下工作 o按用途分（特殊二極管） n整流二極管 n穩(wěn)壓二極管 n檢波二極管 n開(kāi)關(guān)二極管 n發(fā)光二極管 n變?nèi)荻O管 n 在PN結(jié)上加上引線(xiàn)和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分 有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類(lèi)。 (1) 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電 容小，用于檢波和變頻等 高頻電路。 (a)點(diǎn)接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 二、二極管的類(lèi)型 (3) 平面型二極管 往往用于集成電路制造藝 中。PN 結(jié)面積可大可小，用 于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。 (2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于 工頻大電流整流電路。 陰極陰極 引線(xiàn)引線(xiàn)

3、陽(yáng)極陽(yáng)極 引線(xiàn)引線(xiàn) P N P 型支持襯底型支持襯底 二、二極管的類(lèi)型 三、二極管的特性 o伏安特性 n正向伏安特性 n反向伏安特性 o擊穿特性 o溫度特性 o電容特性 1、伏安特性 流過(guò)二極管的電流與加在二極管兩端的電壓的關(guān)系曲線(xiàn)流過(guò)二極管的電流與加在二極管兩端的電壓的關(guān)系曲線(xiàn) I = f (U )就是二極管的伏安特性。就是二極管的伏安特性。 60 40 20 0.002 0.004 00.5 1.0 2550 I / mA U / V 正向特性 硅管的伏安特性 擊穿電壓 反向特性 50 I / mA U / V 0.20.4 25 5 10 15 0.01 0.02 0 鍺管的伏安特性 死

4、區(qū)電壓 正向特性 o當(dāng)正向電壓較小時(shí)，正向電流很小，幾乎為零。 n死區(qū) n死區(qū)電壓（門(mén)坎電壓） o死區(qū)電壓與材料和溫度有關(guān) o硅管約 0.5 V 左右，鍺管約 0.1 V 左右 o當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大 n硅管導(dǎo)通電壓0.7V n鍺管導(dǎo)通電壓0.2V 死區(qū) 60 40 20 00.4 0.8 I / mA U / V 60 40 20 00.4 0.8 I / mA U / V 材料開(kāi)啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流 硅Si0.5V0.50.8V1A以下 鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A 反向特性 o二極管加反向電壓，反向電流很小。 n當(dāng)電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏后，反向

5、電流不隨電壓增加而增大，即飽和； o擊穿反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增大。 n反向擊穿電壓 n電擊穿可逆擊穿并不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后， 還可恢復(fù)正常。 n熱擊穿不可逆 0.02 0.04 02550 I / mA U / V 反向飽 和電流 擊穿 電壓 U(BR) 伏安特性表達(dá)式(二極管方程) )1e ( S T U U II 其中，IS 反向飽和電流 UT 溫度的電壓當(dāng)量；在常溫(300 K)下，UT 26 mV 二極管加反向電壓，即 U UT ，則 二極管加正向電壓，即 U 0，且 U UT ，則 1e T U U T U U IIe S S II

6、電流I 與電壓U 基本成指數(shù)關(guān)系。 伏安特性總結(jié) o二極管具有單向?qū)щ娦?n加正向電壓時(shí)，導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開(kāi)關(guān)閉合 n加反向電壓時(shí)，截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開(kāi)關(guān)斷開(kāi) n應(yīng)用：整流二極管 檢波二極管 開(kāi)關(guān)二極管 o二極管是非線(xiàn)性器件 50 I / mA U / V 0.20.4 25 5 10 15 0.01 0.02 0 2、擊穿特性 o擊穿-反向電壓大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然快速增大。 n電擊穿可逆 n熱擊穿不可逆 o應(yīng)用：穩(wěn)壓管 0.02 0.04 02550 I / mA U / V IZ VDZ R UO IO + IR UI + RL o溫度升高時(shí)，反向飽和電

7、流增大，正向電流也增大。溫度升高10， IS 約增加1倍。 3、溫度特性 o應(yīng)用:溫度補(bǔ)償二極管 o 影響工作頻率的原因 PN 結(jié)的電容效應(yīng) 結(jié)論： 1. 低頻時(shí)，因結(jié)電容很小，對(duì) PN 結(jié)影響很小。 高頻時(shí)，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向 導(dǎo)電性變差。 2. 結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。 4、電容特性 o結(jié)電容Cj Cj=CD+CB o應(yīng)用：變?nèi)荻O管 o最大整流電流 IF 二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。 o最高反向工作電壓 UR 工作時(shí)允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將擊穿電 壓 UBR 的一半定義為 UR 。 o反向電流 IR o最高工作頻率fM fM 值主要

8、 決定于PN 結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二極 管允許的最高工作頻率愈低。 四、二極管的主要參數(shù) iD uD U (BR) I F URM O 小結(jié) u二極管的符號(hào)： u二極管的伏安特性 u二極管的實(shí)物 ：如何用萬(wàn)用表的“ ”檔來(lái)辨別一只 二極管的陽(yáng)極、陰極以及二極管的好壞？ 思考題 k 陰極陰極 陽(yáng)極陽(yáng)極 a 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA 死區(qū)死區(qū) Vth VBR 五、半導(dǎo)體二極管的測(cè)試 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下： 2AP9 用數(shù)字代表同類(lèi)器件的不同規(guī)格。 代表器件的類(lèi)型

9、，P為普通管，Z為整流管，K為開(kāi)關(guān)管。 代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge， C為N 型Si， D為P型Si。 2代表二極管，3代表三極管。 一、 半導(dǎo)體二極管參數(shù)選錄(參見(jiàn)教材) 二、 半導(dǎo)體二極管的識(shí)別與檢測(cè) 1. 目測(cè)判別極性 觸絲半導(dǎo)體片 五、半導(dǎo)體二極管的測(cè)試 1. 目測(cè)判別極性 2. 萬(wàn)能表判別極性 在 R 1 k 擋進(jìn)行測(cè)量， 紅表筆是(表內(nèi)電源)負(fù)極， 黑表筆是(表內(nèi)電源)正極。 測(cè)量時(shí)手不要接觸引腳。 (1)用指針式萬(wàn)用表檢測(cè) 一般硅管正向電阻為幾千 歐，鍺管正向電阻為幾百歐。 正反向電阻相差不大為劣 質(zhì)管。 正反向電阻都是無(wú)窮大或 零則二極管內(nèi)部斷路或短路。 1k

10、0 0 0 五、半導(dǎo)體二極管的測(cè)試 (2) 用數(shù)字式萬(wàn)用表檢測(cè) 紅表筆是(表內(nèi)電源)正極， 黑表筆是(表內(nèi)電源)負(fù)極。 2k20k200k 2 M 20M 200 在 擋進(jìn)行測(cè)量，當(dāng) PN 結(jié)完好且正偏時(shí)，顯示值為 PN 結(jié)兩端的正向壓降 (V)。 反偏時(shí)，顯示 。 五、半導(dǎo)體二極管的測(cè)試 六、二極管電路的分析 o圖解分析法 o簡(jiǎn)化模型分析法 n二極管的模型 o理想模型 （） o恒壓降模型（） o折線(xiàn)模型 o小信號(hào)模型 n簡(jiǎn)化模型分析法 + iD vD - R 非線(xiàn)性 線(xiàn)性 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/

11、 A iD/mA 死死區(qū)區(qū) Vth VBR 硅二極管硅二極管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性 例 電路如圖所示，已知二極管的V-I 特性曲線(xiàn)、電源VDD和電阻R，求二極 管兩端電壓vD和流過(guò)二極管的電流iD 。 1、圖解分析法 解：由電路的KVL方程，可得 DDDD RiV v DDDD 11 V RR i v 即 是一條斜率為-1/R 的直線(xiàn)，稱(chēng)為負(fù)載線(xiàn) Q 的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求，Q點(diǎn)稱(chēng)為電路的工作點(diǎn)。 VDD VDD / R VD IDQ 負(fù)載線(xiàn) 2、二極管的簡(jiǎn)化模型 （1）理想模型 （a）V-I 特性 （b）代表符號(hào) （c）正向偏置時(shí)的電路模型 （d）反向偏

12、置時(shí)的電路模型 正偏導(dǎo)通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = （2）恒壓降模型 （a）V-I 特性 （b）電路模型 2、二極管的簡(jiǎn)化模型 uD iD UD(on) uD = UD(on) 0.7 V (Si) 0.2 V (Ge) （3）折線(xiàn)模型 （a）V-I 特性 （b）電路模型 2、二極管的簡(jiǎn)化模型 uD iD UD(on) U I I U r D 斜率斜率1/ rD rD1 UD(on) （4）小信號(hào)模型 過(guò)過(guò)Q點(diǎn)的切線(xiàn)點(diǎn)的切線(xiàn)可以等效成可以等效成 一個(gè)微變電阻一個(gè)微變電阻 D D d i r v 即即 )1e ( / SD D T V Ii v 根據(jù)根據(jù) 得得Q點(diǎn)處

13、的微變電導(dǎo)點(diǎn)處的微變電導(dǎo) Q i g D D d d d v Q V T T V I / S D ev T V ID d d 1 g r 則則 D I VT 常溫下（常溫下（T T=300K=300K） )mA( )mV(26 DD d II V r T Q T V iD （a）V-I 特性特性 （b）電路模型）電路模型 2、二極管的簡(jiǎn)化模型 小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。 該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vDVT 。 判斷電路中二極管工作狀態(tài)的方法 1. 斷開(kāi)二極管，分析電路斷開(kāi)點(diǎn)的開(kāi)路電壓。如果該電壓能使二極 管正偏，且大于二極管的死區(qū)電壓，二極管導(dǎo)通；否則二極管截止

14、。 2. 如果電路中有兩個(gè)二極管，利用方法1分別判斷各個(gè)二極管兩端 的開(kāi)路電壓，開(kāi)路電壓高的二極管優(yōu)先導(dǎo)通；當(dāng)此二極管導(dǎo)通后， 再根據(jù)電路的約束條件，判斷另一個(gè)二極管的工作狀態(tài)。 二極管導(dǎo)通的判定 （1）開(kāi)關(guān)電路 電路如圖所示，二極管為理想二極管， 求A、O 間的電壓值 解： 判斷二極管導(dǎo)通情況 則接D陽(yáng)極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。 陽(yáng)極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)ā?導(dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽(yáng)極的電位。 所以，A、O間的電壓值為-6V。 3、簡(jiǎn)化模型分析法舉例 0V -6V -12V 斷開(kāi)D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位， 即O點(diǎn)為0V。 計(jì)算 設(shè) V1、V2 均為理

15、想二極管，當(dāng)輸入電壓 UA、UB 為低電 壓 0 V 和高電壓 5 V 的不同組合時(shí)，求輸出電壓 UO 的值。 UAUB UO R3 k 12 V VDD V1 V2 B A Y 輸入電壓輸入電壓理想二極管理想二極管輸出輸出 電壓電壓 UAUBV1V2 0 V0 V 正偏正偏 導(dǎo)通導(dǎo)通 正偏正偏 導(dǎo)通導(dǎo)通 0 V 0 V5 V 正偏正偏 導(dǎo)通導(dǎo)通 反偏反偏 截止截止 0 V 5 V0 V 反偏反偏 截止截止 正偏正偏 導(dǎo)通導(dǎo)通 0 V 5 V5 V 正偏正偏 導(dǎo)通導(dǎo)通 正偏正偏 導(dǎo)通導(dǎo)通 5 V 二極管構(gòu)成“門(mén)”電路 3、簡(jiǎn)化模型分析法舉例 判斷電路中二極管工作狀態(tài)的方法 1. 斷開(kāi)二極管，分

16、析電路斷開(kāi)點(diǎn)的開(kāi)路電壓。如果該電壓能使二極 管正偏，且大于二極管的死區(qū)電壓，二極管導(dǎo)通；否則二極管截止。 2. 如果電路中有兩個(gè)二極管，利用方法1分別判斷各個(gè)二極管兩端 的開(kāi)路電壓，開(kāi)路電壓高的二極管優(yōu)先導(dǎo)通；當(dāng)此二極管導(dǎo)通后， 再根據(jù)電路的約束條件，判斷另一個(gè)二極管的工作狀態(tài)。 二極管導(dǎo)通的判定 3、簡(jiǎn)化模型分析法舉例 （2）整流電路 （a）電路圖 （b）vs的波形 （c）vo的波形 （3）限幅電路 電路如圖(a)，R = 1k，VREF = 3V，二極管為硅管。分別用理想模型 和恒壓降模型求解，當(dāng)vI = 6sin t V時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。 3、簡(jiǎn)化模型分析法舉例 理想模型

17、 恒壓降模型 怎樣雙向限幅？ ui = 2 sin t (V)，分析二極管的限幅作用。 ui 較小，宜采用恒壓降模型 V1 V2 uiuO R ui 0.7 V V1、V2 均截止uO = ui uO = 0.7 V ui 0.7 V V2 導(dǎo)通 V截止 ui 0.7 V V1 導(dǎo)通 V2 截止uO = 0.7 V Ot uO/ V 0.7 Ot ui / V 2 0.7 VDD 大， 采用理想模型 VDD 小， 采用恒壓降模型 3、簡(jiǎn)化模型分析法舉例 （4）靜態(tài)工作情況分析 V 0 DV mA 1 R V I DD D 理想模型 硅管 VDD=10V R=10k mA 93. 0 R VV

18、I DDD D 恒壓降模型 V 7 . 0 D V （a）簡(jiǎn)單二極管電路 （b）習(xí)慣畫(huà)法 3、簡(jiǎn)化模型分析法舉例 六、 二極管電路分析方法小結(jié) 1. 理想模型 2. 恒壓降模型 u簡(jiǎn)化模型 u 判斷電路中二極管工作狀態(tài)的方法 VDD 大， 采用理想模型 VDD 小， 采用恒壓降模型 1. 假定二極管斷開(kāi)，判定開(kāi)路電壓 2. 正偏導(dǎo)通，反偏截止 u 二極管電路的應(yīng)用 開(kāi)關(guān)、整流、限幅 1. 理想模型 u簡(jiǎn)化模型 七、 特殊二極管 穩(wěn)壓二極管 變?nèi)荻O管 光電子器件 1. 光電二極管 2. 發(fā)光二極管 3. 激光二極管 穩(wěn)壓管電路舉例 1. 穩(wěn)壓二極管 1. 符號(hào)及穩(wěn)壓特性 符號(hào)伏安特性 利用二極

19、管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作 在反向電擊穿狀態(tài)。 實(shí)物 o符號(hào) o伏安特性曲線(xiàn) o穩(wěn)壓原理：在反向擊穿區(qū)，反向電流有一個(gè)比較大的變化時(shí)， 管子兩端相應(yīng)的電壓變化量卻很小。 I/mA U/V O + 正向正向 + 反向反向 U I o工作區(qū)：反向擊穿區(qū) 1. 穩(wěn)壓二極管 (1) 穩(wěn)定電壓VZ (3) 動(dòng)態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ 下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。 rZ = VZ / IZ (4)額定功率 PZ (5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) VZ o 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù) （2）穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好 1. 穩(wěn)壓二極管 o穩(wěn)壓管電路 o使用注意事項(xiàng) n外加電源的正極接管

20、子的N 區(qū)，電源的負(fù)極接P 區(qū)，保證管子 工作在反向擊穿區(qū)； n穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻 RL 并聯(lián)； n必須限制流過(guò)穩(wěn)壓管的電流 IZ，不能超過(guò)規(guī)定值，以免因過(guò)熱 而燒毀管子。 VDZ R UO IO + IZ IR UI + RL 1. 穩(wěn)壓二極管 分析簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路的工作原理，R 為限流電阻。 IR = IZ + IL UO= UI IR R 當(dāng) UI 波動(dòng)時(shí)(RL不變) O RZOL U IIUR I U O U Z I R I O U 反之亦然 當(dāng) RL 變化時(shí)(UI 不變) 反之亦然 UIUO R RL ILIR IZ 2、穩(wěn)壓管電路舉例 o已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ3V，R的取值合適，VI

21、 的波形如右圖所示 ，試畫(huà)出Vo波形 2、穩(wěn)壓管電路舉例 + R - IR + - RL VO VI IZ DZ 符號(hào) 工作條件：反向偏置 特性 特點(diǎn)： * 反偏時(shí)，勢(shì)壘電容隨外加電 壓升高而降低，可作為壓控 可變電容。 * 電容量較小，幾十幾百pF * 最大與最小電容比為 5 : 1。 用途： * 高頻電路中自動(dòng)調(diào)諧、調(diào)頻、 調(diào)相等。 3、變?nèi)荻O管 一、光電(光敏)二極管 1符號(hào)和特性 U I O 暗電流 E = 200 lx E = 400 lx 工作條件：反向偏置 2. 結(jié)構(gòu)和工作原理 入射光 玻璃透鏡 管芯 管殼 電極引線(xiàn) 無(wú)光照時(shí)，暗電流小，反向電 阻高達(dá)幾十兆歐。 光照時(shí)，產(chǎn)生光生載流子從而 形成光電流，光電流隨光照強(qiáng) 弱變化，反向電阻降為幾千歐 幾十千歐 。 4、光電子器件 二、發(fā)光二極管 LED (Light Emitting Diode) 1. 符號(hào)和特性 工作條件：正向偏置 一般工作電流幾十 mA， 導(dǎo)通電壓 (1 2) V 2. 主要參數(shù) 電學(xué)參數(shù)：I FM ，U(BR) ，IR 光學(xué)參數(shù)：峰值波長(zhǎng)