半導(dǎo)體二極管及其電路

1、半導(dǎo)體二極管及其電路第1頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二2.1半導(dǎo)體二極管1 .半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)2.二極管的伏安特性3 .二極管的參數(shù)4.二極管的等效模型5.二極管應(yīng)用電路本節(jié)要掌握以下五個(gè)內(nèi)容第2頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二2.1.1、 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 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)示意圖第3頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二(3) 平面型二極

2、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。(b)面接觸型(c)平面型(4) 二極管的代表符號(hào)第4頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二半導(dǎo)體二極管圖片第5頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二第6頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二第7頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二 半導(dǎo)體二極管的伏安特性 硅管00. 8反向特性正向特性擊穿特性00. 8反向特性鍺管正向特性u(píng)DiD第8頁，共54頁，2022年，5月20日，1

3、7點(diǎn)29分，星期二(1) 近似呈現(xiàn)為指數(shù)曲線，即(2) 有死區(qū)（iD0的區(qū)域)1正向特性死區(qū)電壓約為硅管0.5 V鍺管0.1 VOiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D第9頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二(3) 導(dǎo)通后（即uD大于死區(qū)電壓后）管壓降uD 約為硅管0.60 .8 V鍺管0.20.3 V通常近似取uD 硅管0.7 V鍺管0.2 VOiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D即 uD略有升高， iD急劇增大。第10頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二第 三 講第11頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，

4、星期二2反向特性 IS=硅管小于0.1微安鍺管幾十到幾百微安OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D(1) 當(dāng)時(shí)，。第12頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二(2) 當(dāng)時(shí)，反向電流急劇增大，擊穿的類型根據(jù)擊穿可逆性分為電擊穿熱擊穿二極管發(fā)生反向擊穿。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D第13頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二降低反向電壓，二極管仍能正常工作。PN結(jié)被燒壞，造成二極管永久性的損壞。二極管發(fā)生反向擊穿后，如果a. 功耗PD( = |UDID| )不大b. PN結(jié)的溫度小于允許的最高結(jié)溫硅管150200oC鍺管

5、75100oC熱擊穿電擊穿第14頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二溫度每升高1度，正向壓降減小22.5mV溫度每升高10度，反相飽和電流增加1倍溫度對(duì)伏安特性的影響第15頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響1. 當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低。uD/ T = （22.5）mV/ C2. 溫度升高，反向飽和電流增大。即 溫度每升高1C，管壓降降低（22.5）mV。即 平均溫度每升高10C，反向飽和電流增大一倍。不講第16頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二 半導(dǎo)體二極管的主要電參數(shù)1. 額定整

6、流電流IF2. 反向擊穿電壓U(BR)管子長期運(yùn)行所允許通過的電流平均值。 二極管能承受的最高反向電壓。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D第17頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二4. 反向電流IR3. 最高允許反向工作電壓UR為了確保管子安全工作，所允許的最高反向電壓。室溫下加上規(guī)定的反向電壓時(shí)測(cè)得的電流。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)DUR=（1/22/3）U(BR)反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，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。第18

7、頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二4.最高工作頻率fM 最高工作頻率是二極管工作的上限截止頻率，超過此值時(shí)，由于結(jié)電容的作用，二極管不能很好的體現(xiàn)單向?qū)щ娦浴?以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦裕饕獞?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。第19頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二2.1.4、 二極管的等效模型第20頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二（硅二極管典型值）（鍺 二極管典型值）導(dǎo)通壓降：第21頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二3折線模型: 折線模型認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的

8、，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(gè)電池和一個(gè)電阻rD來作進(jìn)一步的近似。其中電池的電壓為二極管的門坎電壓Vth或者說導(dǎo)通電壓VD(on)。rD的值，可以這樣來確定，如當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，管壓降為07V則：rD=（07 V-05 V）/（1mA）=200 第22頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二 4. 小信號(hào)模型 二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）第23頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二四種模型比較：1、理想模型誤差大2、折線模型誤差

9、最小4、小信號(hào)模型只適用于二極管處于正向?qū)ㄇ倚盘?hào)變化幅度較小的情況3、恒壓降模型應(yīng)用最普遍第24頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二RLuiuouiuott1、二極管半波整流：2.1.5 二極管應(yīng)用電路第25頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二2、 限幅電路工作原理a. 當(dāng)ui較小使二極管D1 、D2截止時(shí)電路正常放大b. 當(dāng)ui使二極管D1 或D2導(dǎo)通時(shí)RD2ARi+D1+例題1不講第26頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二uitO輸入電壓波形RD2ARi+D1+第27頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期

10、二輸入端電壓波形uitO2UFRD2ARi+D1+第28頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二Vi VR時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo=vi。Vi VR時(shí)，二極管截止， vo=VR。 例2：理想二極管電路中 vi= Vm sint V，求輸出波形v0。解：第29頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二 3.開關(guān)電路利用二極管的單向?qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_關(guān)vI1 vI2二極管工作狀態(tài)D1 D2v00V 0V導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 導(dǎo)通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V例11：求vI1和vI2不同值組合時(shí)的v0值（二極管為理想模型）。解：第30頁，共

11、54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二4、在檢波電路中的應(yīng)用（無線通信）用音頻信號(hào)去控制高頻信號(hào)的幅值音頻信號(hào)高頻信號(hào)載波信號(hào)調(diào)制的過程Otuu1tOu2Ot音頻放大器話筒高頻振蕩器調(diào) 制 器發(fā) 射 器u2u1u不講第31頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二第32頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二2.2 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管的伏安特性特點(diǎn)a. 正向特性與普通管類似穩(wěn)壓管通常工作于反向電擊穿狀態(tài)伏安特性+iZuZuZQBAOUZiZIZUZIZ符號(hào)b. 反向擊穿特性很陡第33頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二(1

12、) 穩(wěn)定電壓VZ(2) 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(3)最大耗散功率 PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin穩(wěn)壓條件：IZmin IZ 6V管子出現(xiàn)雪崩擊穿，U 為正；UZ 4V 出現(xiàn)齊納擊穿，U 為負(fù);4V UZ 6V，U可能為正，也可能為負(fù)。（5）溫度系數(shù) 定義：第35頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路第36頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二不講第37頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二第38頁，共54頁，

13、2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二不講第39頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二第40頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二負(fù)載電阻 。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。方程1第41頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：第42頁，共54頁，2022年，5月2

14、0日，17點(diǎn)29分，星期二2.3 其他類型二極管一、 發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。第43頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二二、 光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加第44頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二三、變?nèi)荻O管(varicap) 利用二極管的結(jié)電容以及該電容大小與外接電壓有關(guān)的特點(diǎn)制成.四、肖特基二極管(SBD) 金屬與N型半導(dǎo)體接觸形成勢(shì)壘，不存在少數(shù)載流子在PN結(jié)附近積累和消散過程，電容效應(yīng)非常適合高頻。第45頁，共54頁，2

15、022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二電阻量程 1 10 100 1k測(cè)得電阻值 31 210 1.1 k 11.5 k例1 用萬用表測(cè)量二極管的正向直流電阻RF，選用的量程不同，測(cè)得的電阻值相差很大。現(xiàn)用MF30 型萬用表測(cè)量某二極管的正向電阻，結(jié)果如下表，試分析所得阻值不同的原因。例題第46頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二第47頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二第48頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二例2:設(shè)二極管D1、D2為理想二極管，判斷它們?cè)趫D1中是導(dǎo)通還是截止？并求 Uo 解：假設(shè)D1、D2斷開D1的陽極

16、為0V，陰極為-9V;D2的陽極為-12V，陰極為-9V;D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓=0第49頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二例3：在圖a和b所示的電路中，假設(shè)D是理想的，其輸入信號(hào)為Ui=10sint(v)。分別畫出它們的輸出波形和傳輸特性Uo=f(ui)。解：假設(shè)D斷開，圖a，D的陽極5V，當(dāng)Ui5V時(shí)，D截止，Uo=5V。 圖b，D的陰極5V，Ui5V時(shí)，D導(dǎo)通， Uo=5V；Ui0.7V,D1導(dǎo)通，vo=0.7V；VDvi-0.7V,D2導(dǎo)通,vo=-0.7V；-0.7Vvi0.7V, D1、D2均截止,vo=vi。第51頁，共54頁，2022年，5月20日

17、，17點(diǎn)29分，星期二Rvi(t)vo(t)D1D2例5：雙向限幅電路：如下圖，設(shè)vi(t)=3sint , Vth=0.5V，R=1K, rD=200,利用折線模型，畫出輸出波形。解：假折線模型電路為：0.923-30.5-0.5 假設(shè)D1、D2斷開，D1陰極0.5V，D2陽極-0.5V，-0.92Vth vi-0.5V,D2導(dǎo)通,vo= =(vi+Vth)rD/(R+rD)-Vth, Vom=-0.92V；-0.7Vvi0.5V,D1導(dǎo)通，vo=(vi-Vth)rD/(R+rD)+Vth,vom=0.92V；第52頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二例2-5: 判斷二極管的工作狀態(tài)判斷方法： 正向偏置VAVB，導(dǎo)通； 反向偏置VAVB，截止；解題方法： 斷開二極管2AP1，求VA和VB解：VA = 15 10/(10+140)=1V；VB = -102/(18+2) + 155 /(25+5)=1.5V； VAVB，所以，二極管2AP1截止。第53頁，共54頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)29分，星期二本章小結(jié) 本章主要介紹了半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)、伏安特性、主要參數(shù)、等效模型及其工作電路的基本分析方法。具體歸納