二极管及其应用

1、二极管及其应用二极管及其应用模拟电子技术基础二极管的基本结构和符号二极管的基本结构和符号结构结构 二极管二极管 = = PN结结 + + 管壳管壳 + + 引线引线 正极引线正极引线触丝触丝支架支架外壳外壳负极引线负极引线PNPN结结P P型锗型锗( (硅硅) ) N N型锗型锗（硅）（硅）NP电路电路符号符号阳极阳极+阴极阴极-内部内部结构结构二极管按结构分二极管按结构分为为三大类三大类1.1.点接触型二极管点接触型二极管N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝 PN结的结的面积小面积小，结电容小结电容小，不能不能承受承受高的高的反向电压和反向电压和大大电流，电流，因而适用于

2、制作高频检波和脉冲因而适用于制作高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，以及作数字电路里的开关元件，以及作 为小电流的整流管。为小电流的整流管。二极管按结构分二极管按结构分为为三大类三大类2.2.面接触型二极管面接触型二极管负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路。3.3.平面型二极管平面型二极管SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。半导体二极管半导

3、体二极管实物实物图片图片二极管的伏安特性二极管的伏安特性RDUIDuD+D0反向击穿反向击穿B0.4A1.2正向导通正向导通死区死区0.8CUR(V)反向截止反向截止IF(mA)IR(A)二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线UF(V)1.1.正向特性正向特性（1 1）不导通区（不导通区（死区死区）：）：OA段段（2 2）导通区导通区：AB段段2.2.反反向特性向特性（1 1）反向截止）反向截止区：区：OC段段这时二极管呈现很高的电阻，在这时二极管呈现很高的电阻，在电路中相当于一个断开的开关。电路中相当于一个断开的开关。（2 2）反向击穿区：反向击穿区：CD段段伏安特性伏安特性受温度的影响受

4、温度的影响00.41.20.8UR(V)IF(mA)IR(A)二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线UF(V)200C800C1.1.温度温度升高升高时，二极管的时，二极管的正向正向特性曲线向特性曲线向左移动左移动。这是因为。这是因为温度升高时，温度升高时，扩散扩散运动运动加强加强，产生同一正向电流所需的产生同一正向电流所需的压降压降减小减小的缘故。的缘故。 2. 2.温度升高时，二极管的温度升高时，二极管的反向反向特性曲线特性曲线向下向下移动。这是因为温度升移动。这是因为温度升高时，高时，本征激发加强本征激发加强，半导体中，半导体中少子少子数目数目增多增多，在同一反向电压下，漂移，在同一反

5、向电压下，漂移电流增大的缘故。电流增大的缘故。伏安特性受温度的影响伏安特性受温度的影响3.3.温度升高时，反向击穿电压减小。击穿现象温度升高时，反向击穿电压减小。击穿现象是由于大的反向电流使少数载流子获得很大的是由于大的反向电流使少数载流子获得很大的动能，当它与动能，当它与PN结内的原子发生碰撞时，产生结内的原子发生碰撞时，产生了很多的电子了很多的电子空穴对，使空穴对，使PN结内的载流子数结内的载流子数目急剧增加，并在反向电压作用下，形成很大目急剧增加，并在反向电压作用下，形成很大的反向电流。因此，温度升高时，反向击穿电的反向电流。因此，温度升高时，反向击穿电压减小。压减小。综上所述，温度升高

6、时，二极管的导通压降综上所述，温度升高时，二极管的导通压降UF降低，反向击穿电压降低，反向击穿电压URM 减小，反向饱和电流减小，反向饱和电流IS增大。增大。反向击穿反向击穿齐纳击穿齐纳击穿D0反向击穿反向击穿CUR(V)反向截止反向截止IF(mA)IR(A)二极管二极管反向反向的特性曲线的特性曲线UF(V)在通常情况下，反向偏置的在通常情况下，反向偏置的PN结结中只有一个很小的电流。这个漏中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过向电压超过某个特定的值，超过这个值之后这个值之后PN结突然开始有大电结突然开始有大电流导通。流

7、导通。在在高高掺杂的情况下，因耗尽层掺杂的情况下，因耗尽层厚厚度度很很薄薄，不大的反向电压就可在，不大的反向电压就可在耗尽层形成耗尽层形成很强很强的电场，而直接的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子键束缚，产生电子空穴对，致空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳齐纳击穿。也称为击穿。也称为隧道隧道击穿。击穿。反向击穿反向击穿雪崩击穿雪崩击穿D0反向击穿反向击穿CUR(V)反向截止反向截止IF(mA)IR(A)二极管二极管反向反向的特性曲线的特性曲线UF(V)材料掺杂浓度材料掺杂浓度较低较低的的PN结中，当结中，当P

8、N结反向电压增加时，结反向电压增加时，耗尽层耗尽层中的中的电场电场随着随着增强增强。这样通过。这样通过耗尽层耗尽层的电子和的电子和空穴，就会在电场作用下，获得空穴，就会在电场作用下，获得更大更大的的能量能量。它们它们将不断的与晶体原子发将不断的与晶体原子发生生碰撞碰撞，通过这样的碰撞可使束缚在，通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子由电子- -空穴对。新产生的载流子在空穴对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子，又产生电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自由电子和空穴对。如此新的自由电子和空穴对。如此连锁反连锁反应应，使得，使得耗尽层

9、耗尽层中的载流子的数量雪中的载流子的数量雪崩式地增加，流过崩式地增加，流过PN结的电流就急剧结的电流就急剧增大击穿增大击穿PN结，这种碰撞电离导致击结，这种碰撞电离导致击穿称为穿称为雪崩雪崩击穿击穿。反向击穿反向击穿热击穿热击穿D0反向击穿反向击穿CUR(V)反向截止反向截止IF(mA)IR(A)二极管二极管反向反向的特性曲线的特性曲线UF(V)热击穿的本质是处于电场中的介热击穿的本质是处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而产生质，由于其中的介质损耗而产生热量，就是电势能转换为热量，热量，就是电势能转换为热量，当外加电压足够高时，就可能从当外加电压足够高时，就可能从散热与发热的热平衡状态转入散

10、热与发热的热平衡状态转入不不平衡平衡状态，若发出的热量比散去状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是至出现永久性损坏，这就是热击热击穿穿。二极管的主要参数二极管的主要参数1.1.最大最大正向正向电流电流IDM常称常称额定额定工作电流，它是指工作电流，它是指长期长期使用时，允许流使用时，允许流过二极管的过二极管的最大平均最大平均电流。因为电流通过电流。因为电流通过PN结结时要引起管子发热，电流太大，发热量超过时要引起管子发热，电流太大，发热量超过一定一定限度，就会使限度，就会使PN结烧坏。结烧坏。IDM的大小的大小取决于取决于PN结

11、结的的面积面积、材料材料和和散热条件散热条件。2.2.反向峰值电压反向峰值电压URM常称常称额定额定工作电压，它是为了保证二极管不致工作电压，它是为了保证二极管不致反反向击穿向击穿而规定的最大反向电压。击穿时，反向电而规定的最大反向电压。击穿时，反向电流剧增使二极管的单向导电性被破坏，甚至会因流剧增使二极管的单向导电性被破坏，甚至会因过热而烧坏。过热而烧坏。二极管的主要参数二极管的主要参数3.3.反向饱和电流反向饱和电流IS在室温下，二极管在室温下，二极管未击穿未击穿时的时的反向电流值反向电流值称为称为反向饱和电流。该电流反向饱和电流。该电流越小越小，二极管的单向导，二极管的单向导通通性能就越

12、好性能就越好。4.4.最高工作频率最高工作频率fMfM为保证二极管具有单向导电性的最高工作频为保证二极管具有单向导电性的最高工作频率，其大小主要由二极管的势垒电容率，其大小主要由二极管的势垒电容CT和扩散和扩散电容电容CD的大小来决定。的大小来决定。二极管的选择二极管的选择v要求要求导通电压低导通电压低时，选锗管；要求时，选锗管；要求反向电流反向电流 小小时，选硅管。时，选硅管。v要求要求导通电流大导通电流大时，选平面型；要求时，选平面型；要求工作频工作频 率高率高时，选点接触型。时，选点接触型。v要求反向要求反向击穿电压高击穿电压高时，选硅管。时，选硅管。v要求要求耐高温耐高温时，选硅管。时

13、，选硅管。二极管电路模型二极管电路模型引入模型的目的：引入模型的目的：简化简化电路计算；电路计算；方法：非线性器件作线性化处理。方法：非线性器件作线性化处理。二极管常用电路模型有：二极管常用电路模型有：v 理想开关模型理想开关模型v 恒压降模型恒压降模型v 折线模型折线模型理想开关模型理想开关模型RDUiDuD+uDiD0导通时，导通时，UD=0，i由电路参数决定。即由电路参数决定。即 iD=U/R特点特点：uD 0时时, ,二极管导通二极管导通; ;uD 0.7V（硅管硅管）时时, ,二极管导通二极管导通; ;uDUon时时, ,二极管导通二极管导通; ;其伏安特性可表示为：如右图所示；其伏

14、安特性可表示为：如右图所示；其电路模型为：其电路模型为：UonDrD其中：其中：rD折线斜率的倒数。折线斜率的倒数。onDDUUIRrUonuD100VUZIZminIZmaxIZ稳压二极管的反向曲线越稳压二极管的反向曲线越陡陡，即即动态动态电阻电阻 rZ 越越小小，稳压性，稳压性能越能越好好。普通普通稳压稳压二极管二极管工作工作电压电压：UBR =UZ=2.530VDZ稳压电路的稳压过程稳压电路的稳压过程2u1uLRRC+UL-DZ+UD-+ UR -+UC-IRILIDUL= =UDIDIRURULDz为稳压管，起为稳压管，起电流调节电流调节作用，作用，C为滤波电容，为滤波电容，起起恒定恒

15、定电压作用，电压作用，R为限流电阻，起为限流电阻，起电压电压调节调节作用。作用。稳压二极管的主要技术参数稳压二极管的主要技术参数v 稳定电压稳定电压UZ稳压管在规定电流下的反向稳压管在规定电流下的反向 击穿电压。击穿电压。v 稳定电流稳定电流IZ稳压管在稳定电压下的工作稳压管在稳定电压下的工作 电流。电流。v 最大稳定电流最大稳定电流IZmax稳压管允许长期通过稳压管允许长期通过 的最大反向电流。的最大反向电流。v 动态电阻动态电阻rZ稳压管两端电压变化与电流稳压管两端电压变化与电流 变化的比值，即变化的比值，即: :UZ/IZ。 rZ越小，稳压性能越好。越小，稳压性能越好。 例题例题6如如图

16、图所示所示电路中电路中，R = RL =500=500 , , DZ 的稳定工作电压的稳定工作电压UZ = 6= 6V; ;求求: 当当Ui = 10V 时时，UO 和和 IZ分别为多少？分别为多少？当当Ui = 20V 时时，UO 和和 IZ分别又为多少？分别又为多少？解解：当当Ui = 10V 时时，因为：因为：UO-RDZRLUi+-IZILIR50010 5( )500 500LoiZLRUUVUR R所以：所以：UO=5V，IZ=0.当当Ui = 20V 时时，因为：因为：50020 10( )500 500LoiZLRUUVURR所以：所以：UO=UZ=6V，20 660.016(

17、 )500500iZZZRLLUUUIIIARR作业作业1如如图图所示所示电路中电路中，DZ 的稳定工作电压的稳定工作电压UZ = =1010V，工作电，工作电流范围为：流范围为：10106060mA; ;输入电压输入电压Ui = 20V 20%；负载负载 RL 的变化范围为的变化范围为1 12 2k , , 试确定限流电阻试确定限流电阻R的范围的范围？UO-RDZRLUi+-IZILIR作业作业2画出一个桥式整流画出一个桥式整流、电容滤波电容滤波的的稳压电路；简述稳压电路；简述电路的电路的稳压过程。稳压过程。如果变压器次级输出为：如果变压器次级输出为：u2= 141 sin t （V），那么

18、在滤波电容两端的电），那么在滤波电容两端的电压平均值为多少？压平均值为多少？发光二极管发光二极管发光二极管（发光二极管（Light-Emitting Diode）简称为）简称为LED。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有结组成，也具有单向单向导电性。当给发光二极管加上导电性。当给发光二极管加上正向正向电压后，从电压后，从P区区注入到注入到N区的空穴和由区的空穴和由N区注入到区注入到P区的电子，在区的电子，在PN结附结附近数微米内分别与近数微米内分别与N区

19、的电子和区的电子和P区的空穴区的空穴复合复合，产生自，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量不同，释放出的能量越多越多，则发出的光的波长，则发出的光的波长越短越短。常。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。用的是发红光、绿光或黄光的二极管。结构与电路符号结构与电路符号电路符号电路符号发光二极管的使用发光二极管的使用 发光二极管的反向击穿电压约发光二极管的反向击穿电压约5 5伏。它的伏。它的正向正向伏安特性伏安特性曲线曲线

20、很陡很陡，使用时，使用时必须必须串联串联限流电阻限流电阻以控制通过管子的以控制通过管子的电流。限流电阻电流。限流电阻R可用下式计算：可用下式计算：FFEURI式中式中: :E为电源电压为电源电压； UF为为LED的正向压降的正向压降； IF为为LED的一般工作电流的一般工作电流 ; ; 发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。靠近小舌的引线是正极。 发光二极管的优点发光二极管的优点v 安全性安全

21、性 LED使用低压电源，供电电压在使用低压电源，供电电压在6-246-24V之间，根据产品不同而之间，根据产品不同而 异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于 公共场所。公共场所。v 效能效能 消耗能量较同光效的白炽灯减少消耗能量较同光效的白炽灯减少80%80%。v 稳定性稳定性 抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长，1010万小时，光衰万小时，光衰 为初始的为初始的50%50%。v 响应时间响应时间其白炽灯的响应时间为毫秒级，其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级灯的响应时

22、间为纳秒级。 v 对环境污染对环境污染 无有害金属汞无有害金属汞。 光敏二极管光敏二极管光敏二极管也叫光敏二极管也叫光电光电二极管二极管光敏二极管与半导体二极管在结构上是光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似类似的的, ,其管芯其管芯是一个具有是一个具有光敏特征光敏特征的的PN结，具有结，具有单向单向导电性，因此导电性，因此工作时需加上反向电压工作时需加上反向电压。无无光照时光照时, ,有有很小很小的饱和反向的饱和反向漏电流漏电流, ,即即暗电流暗电流，此时光敏二极管，此时光敏二极管截止截止。当。当受到受到光照光照时时, ,饱和反向漏电流饱和反向漏电流大大增加大大增加，形成，形成光电流光电流，它随入射它随入射光强度的变化而变化。当光线照射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。可以利用光照强弱来改变电路中的电流。 光敏二极管的工作状态光敏二极管的工作状态光敏二极管施加有外部光敏二极管施加有外部反向反向电压电压当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随当光敏二极管加上反向电