模电第2章 半导体二极管及其电路

1、模拟电子技术模拟电子技术电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程第第2 2章章 半导体基础及二极管（半导体基础及二极管（2 2）武汉理工大学武汉理工大学信息工程学院信息工程学院电子技术基础课程组电子技术基础课程组上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 半导体二极管半导体二极管 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称就构成了半导体二极管，简称 二极管二极管 PNPN符号符号阳极阳极阴极阴极上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 半导体二极

2、管的类型半导体二极管的类型 按半导体材料分按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。 按按 PN 结结构分结结构分：有点接触型和面接触型二极管。有点接触型和面接触型二极管。 点接触型二极管点接触型二极管因其结面积小，不能承受较大的电流和反因其结面积小，不能承受较大的电流和反向电压，但其结电容较小，一般在向电压，但其结电容较小，一般在PF以下，工作频率高，可达以下，工作频率高，可达100MHZ以上，因此适应于高频电路和小功率整流电路，也适应以上，因此适应于高频电路和小功率整流电路，也适应于开关电路。于开关电路。 面接触型二极管面接触型二极管 其结面积大，能够通过较大的电流，

3、但其其结面积大，能够通过较大的电流，但其结电容大，因而只能在较低频率下工作，一般用于工频大电流整结电容大，因而只能在较低频率下工作，一般用于工频大电流整流电路。流电路。 按用途分按用途分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。开关二极管、发光二极管、变容二极管等。 半导体二极管半导体二极管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础图图1 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号（a）点接触型（）点接触型（b）面接触型（）面接触型（c）集成电路中的平面型（）集成电路中

4、的平面型（d）代表符号）代表符号 半导体二极管半导体二极管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础几种常见的二极管外形几种常见的二极管外形 半导体二极管半导体二极管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础几种常见的二极管外形几种常见的二极管外形 半导体二极管半导体二极管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础几种常见的二极管外形几种常见的二极管外形 半导体二极管半导体二极管上页上页下页下页二极管的型号二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：

5、国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。器件的类型，器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管为开关管器件的材料，器件的材料，A为为N型锗型锗(Ge)，B为为P型锗型锗Ge， C为为N型硅型硅(Si)， D为为P型硅型硅Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管的二极管的V-I特性特性 与与PN结一样，二极管具有单向导电性结一样，二极管具有单向导电性 反向击穿反向击穿电压电压V(BR) 50I

6、 / mAV/ V0.20.4 2551015 0图图2 硅管的伏安特性硅管的伏安特性图图3 锗管的伏安特性锗管的伏安特性 半导体二极管半导体二极管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础+iDvD-R二极管的伏安特性二极管的伏安特性 v vD DiD) 1(/SDD TVveIi上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础二极管主要参数二极管主要参数 为描述二极管的性能，常引用如下几个主要参数：为描述二极管的性能，常引用如下几个主要参数： 1. 最大整流电流最大整流电流IF IF是指二极管长期运行时允

7、许通过的最大正向平均电流。是指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。其值与其值与PN结面积以及外部散热条件有关。在规定的散热条件下，二极管正向平结面积以及外部散热条件有关。在规定的散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则将因结温升高而烧坏。均电流若超过此值，则将因结温升高而烧坏。 2. 反向击穿电压反向击穿电压VBR和和最高反向工作电压最高反向工作电压VRM VBR是指二极管反向击穿时的电压值。是指二极管反向击穿时的电压值。二极管反向击穿时，反向二极管反向击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。 VRM

8、是指二极管工作时允许外加的最大反向电压。是指二极管工作时允许外加的最大反向电压。超过此值时，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏，其值通常为反向击穿电压的一半。二极管有可能因反向击穿而损坏，其值通常为反向击穿电压的一半。 3. 反向电流反向电流IR IR是指二极管未被击穿时的反向电流。是指二极管未被击穿时的反向电流。其值愈小，二极管的单向其值愈小，二极管的单向导电性愈好，但其对温度非常敏感，使用二极管时，要注意温度的影响。导电性愈好，但其对温度非常敏感，使用二极管时，要注意温度的影响。 4. 最高工作频率最高工作频率fM fM是二极管工作的上限截止频率。是二极管工作的上限截止频率。其值主要

9、取决于其值主要取决于 PN PN 结结电容的结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。超过此值时，由于结电容大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。的作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 二极管等效模型二极管等效模型图图4 理想模型理想模型图图5 恒压降模型恒压降模型图图6 折线模型折线模型（a）V-I特性特性 （b）代表符号）代表符号上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品

10、课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 理想模型理想模型图中的虚线表示实际二极管的图中的虚线表示实际二极管的V-V-I I特性，图特性，图b b为它的代表符号。由为它的代表符号。由图图a a可见，正向偏置时，其管压可见，正向偏置时，其管压降为降为0 0V，当二极管处于反向偏，当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当电流为零。在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行时，利用此法来近似分析是可行的。的。图图4 理想模型理想模型上页上页下页下页电子技

11、术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 恒压降模型恒压降模型正向偏置时，其管压降认正向偏置时，其管压降认为是恒定的，且不随电流而为是恒定的，且不随电流而变，典型值为硅管变，典型值为硅管0.7V、锗、锗管管0.2V。不过这只有当二极。不过这只有当二极管的电流近似等于或大于管的电流近似等于或大于1mA时才是正确的。时才是正确的。图图5 恒压降模型恒压降模型上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 折线模型折线模型此模型认为二极管的管压降不此模型认为二极管的管压降不

12、是恒定的，而是随着通过二极是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，在模型管电流的增加而增加，在模型中用一个电池和一个电阻中用一个电池和一个电阻rD来作来作进一步的近似。进一步的近似。恒压源的电压恒压源的电压选定为二极管的门坎电压选定为二极管的门坎电压Vth（Von），硅管约为），硅管约为0.5V、锗管、锗管 0.1V。图图6 折线模型折线模型上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 小信号模型小信号模型dr图图7 小信号模型小信号模型DDdivr 即即常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdII

13、VrT上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 二极管应用电路二极管应用电路 整流电路整流电路 限幅电路限幅电路 低压稳压电路低压稳压电路 开关电路开关电路dr上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 整流电路整流电路 利用二极管的单向导电性把交流电转换成单向利用二极管的单向导电性把交流电转换成单向脉动的直流电的过程称为整流。下图所示电路脉动的直流电的过程称为整流。下图所示电路为一种最简单的单向半波整流电路。为一种最简单的单向半波整流电路。

14、 dr图图8 半波整流电路（半波整流电路（a）上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 整流电路整流电路 设二极管为理想模型。当设二极管为理想模型。当vi为正半周时，二极管正为正半周时，二极管正向偏置，此时二极管导通，向偏置，此时二极管导通，vovi ；当；当vi为负半周时，为负半周时，二极管反向偏置，此时二二极管反向偏置，此时二极管截止，极管截止，vo0 ，输出波，输出波形如右图所示。该电路称形如右图所示。该电路称为为半波整流电路半波整流电路。dr图图8 半波整流电路（半波整流电路（b）上页上页下页下页电子技术基础

15、精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 限幅电路限幅电路 下图所示电路是一种简单的双向限幅电路，下图所示电路是一种简单的双向限幅电路， R为限流电阻。为限流电阻。dr图图9 限幅电路限幅电路上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 限幅电路限幅电路设二极管为恒压降模型。当输设二极管为恒压降模型。当输入信号入信号v vi i小于二极管的导通电小于二极管的导通电压（压（0.7v0.7v）时，二极管截止，）时，二极管截止，v vo o v vi i ；当；当 v vi i

16、值超过值超过0.7v0.7v后，二极管导通。二极管导通后，二极管导通。二极管导通后，其伏安特性类似于恒压特后，其伏安特性类似于恒压特性，所以其两端电压性，所以其两端电压v vo o被限制被限制在在0.7v0.7v附近。该电路常作为附近。该电路常作为限幅保护电路。限幅保护电路。dr图图9 限幅电路（限幅电路（b）上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 低压稳压电路低压稳压电路 利用二极管正向导通时的恒压特性可以用作某利用二极管正向导通时的恒压特性可以用作某些电路的低压稳压电路，如下图所示。设些电路的低压稳压电路，如下

17、图所示。设D1、D2为硅二极管，合理选取电路参数，可以获为硅二极管，合理选取电路参数，可以获得得Vo2VD1.4v（VD0.7v）的输出电压。）的输出电压。 dr图图9 限幅电路限幅电路上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 二极管基本电路二极管基本电路 开关电路开关电路 在开关电路中，利用二极管的单向导电性可以在开关电路中，利用二极管的单向导电性可以接通接通或或断开断开电路，这在数字电路中得到广泛的电路，这在数字电路中得到广泛的应用。在分析这种电路时，应当掌握一条基本应用。在分析这种电路时，应当掌握一条基本原则，即判断电路中的二极管是处于导通

18、或截原则，即判断电路中的二极管是处于导通或截止状态，可以先将二级管断开，然后分析正、止状态，可以先将二级管断开，然后分析正、负两极间是正电压还是负电压，若是前者则二负两极间是正电压还是负电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。极管导通，否则二极管截止。 dr上页上页下页下页 开关电路开关电路 二极管电路如图所示，利用二极管二极管电路如图所示，利用二极管理想模型理想模型，当，当vI1和和vI2为为0V或或5V 时，求时，求vI1和和vI2的值在不同组合的值在不同组合情况下，输出电压情况下，输出电压vo的值。的值。开关电路习惯画法开关电路习惯画法开关电路理想模型开关电路理想模型VCC上页上页下

19、页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础二极管基本电路二极管基本电路 开关电路开关电路drvi1 vi2 二极管工作状态二极管工作状态voD1D2图图10 开关电路开关电路0V 0V导通导通 导通导通0V0V 5V导通导通 截止截止0V5V 0V5V 5V截止截止导通导通 0V截止截止截止截止5V上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 特殊二极管特殊二极管 稳压二极管稳压二极管 发光二极管发光二极管 光电二极管光电二极管 变容二极管变容二极管 肖特基二极管肖特基二极管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子

20、技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 特殊二极管特殊二极管 稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性图图11 稳压管的符号及伏安特性稳压管的符号及伏安特性 稳压二极管工稳压二极管工作在反向击穿作在反向击穿状态状态,当工作当工作电流电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间之间时时,其两端电其两端电压近似为常数压近似为常数上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础(1) 稳定电压稳定电压VZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZ下，所对应的反向工作下，所对应的反向工作电压。电压。rZ = VZ / IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础稳压电路稳压电路+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时正常稳压时 VO =VZIZmin IZ IZmax上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础VDZR使用稳压管需要注意的几个问题使用稳压管