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-不允許通過較大的電流，可在高頻下工作n面接觸型二極管-結(jié)面積大，允許流過的電流大，但只能在較

2、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。(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。陰極陰極引線引線陽(yáng)極陽(yáng)極引線引線PNP 型支持襯底型支持襯底二、二極管的類型三、二極管的特性o伏安特性n正向伏安

3、特性n反向伏安特性n反向擊穿特性o溫度特性o電容特性1、伏安特性 流過二極管的電流與加在二極管兩端的電壓的關(guān)系曲線流過二極管的電流與加在二極管兩端的電壓的關(guān)系曲線I = f (U )就是二極管的伏安特性。就是二極管的伏安特性。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性硅管的伏安特性擊穿電壓反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.020鍺管的伏安特性死區(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

4、o當(dāng)正向電壓超過死區(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0.7Vn鍺管導(dǎo)通電壓0.2V死區(qū)60402000.4 0.8I / mAU / V60402000.4 0.8I / mAU / V材料開啟電壓導(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)電壓超過零點(diǎn)幾伏后，反向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 0.0402

5、550I / mAU / V反向飽和電流擊穿電壓U(BR)反向擊穿特性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 0.0402550I / mAU / VIZVDZRUOIO+IRUI+RL伏安特性表達(dá)式(二極管方程)1e (S TUUII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1eTUUTUUIIeS SII 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娦詎加正向電壓時(shí)，導(dǎo)通，

6、呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合n加反向電壓時(shí)，截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開n應(yīng)用：整流二極管 檢波二極管 開關(guān)二極管o二極管是非線性器件 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.020o溫度升高時(shí)，反向飽和電流增大，正向電流也增大。溫度升高10，IS 約增加1倍。 2、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。3、電容特性o結(jié)電容Cj Cj=CD+CBo應(yīng)用：變?nèi)荻O管o最

7、大整流電流 IF 二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過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 IRo最高工作頻率fM fM 值主要 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)iDuDU (BR)I FURMO小結(jié)u二極管的符號(hào)：u二極管的伏安特性u(píng)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/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20

8、30 40iD/ AiD/mA死區(qū)死區(qū)VthVBR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)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(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

9、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 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。2k20k200k2M20M200 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折線模型o小信號(hào)模型n簡(jiǎn)化模型分析法+iDvD-R非線性線性0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 3

10、0 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死死區(qū)區(qū)VthVBR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、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD 。 1、圖解分析法解：由電路的KVL方程，可得 DDDDRiV vDDDD11VRRi v即 是一條斜率為-1/R 的直線，稱為負(fù)載線 Q 的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求，Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)。VDDVDD / RVDIDQ負(fù)載線 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 （

11、d）反向偏置時(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uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)（3）折線模型（a）V-I 特性 （b）電路模型 2、二極管的簡(jiǎn)化模型uDiDUD(on)UIIUr D斜率斜率1/ rDrD1UD(on)（4）小信號(hào)模型 過過Q點(diǎn)的切線點(diǎn)的切線可以等效成可以等效成一個(gè)微變電阻一個(gè)微變電阻DDdir v即即)1e (/SDD TVIiv根據(jù)根據(jù)得得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)點(diǎn)處的微變電導(dǎo)QigDDdddv QVTTVI/SDev

12、 TVID dd1gr 則則DIVT 常溫下（常溫下（T T=300K=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT QTViD （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. 斷開二極管，分析電路斷開點(diǎn)的開路電壓。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)二極管兩端的開路電壓，開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，

13、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)?。?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。UAUBUOR3 k 5 VVDDV1V2BAY輸入電壓輸入電壓理想

14、二極管理想二極管輸出輸出電壓電壓UAUBV1V20 V0 V正偏正偏導(dǎo)通導(dǎo)通正偏正偏導(dǎo)通導(dǎo)通0 V0 V5 V正偏正偏導(dǎo)通導(dǎo)通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏導(dǎo)通導(dǎo)通0 V5 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”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. 斷開二極管，分析電路斷開點(diǎn)的開路電壓。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)二極管兩端的開路電壓，開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

15、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V1V2uiuORui 0.7 VV1、V2 均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7 VV2 導(dǎo)通 V截止ui 0.7 VV1 導(dǎo)通 V2 截止uO =

16、0.7 VOtuO/ V0.7Otui / V2 0.7VDD 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 DVmA 1 RVIDDD理想模型 硅管 VDD=10V R=10k mA 93. 0 RVVIDDDD恒壓降模型V 7 . 0D V（a）簡(jiǎn)單二極管電路 （b）習(xí)慣畫法 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，判定開路電壓2. 正偏導(dǎo)通，反偏截止u 二極管電路的應(yīng)用 開關(guān)、

17、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/mAU/VO+ 正向正向 +反向反向 U Io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

18、(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) VZo 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必須限制流過穩(wěn)壓管的電流 IZ，不能超過規(guī)定值，以免因過熱而燒毀管子。VDZRUOIO+IZIRUI+RL1. 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 + ILUO= UI IR R當(dāng) UI 波動(dòng)時(shí)(RL不變) ORZOL UIIUR IU OU ZI RI OU反之亦然當(dāng) RL 變化時(shí)(UI 不變)反之亦然UIUORRLI

19、LIRIZ2、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的波形如右圖所示 ，試畫出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UIO暗電流E = 200 lxE = 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) V2. 主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：I FM ，U(BR) ，IR光學(xué)