二极管及其应用

1、 第4章半导体二极管及其应用 电子电路区别于以前所学电路的主要特点是电路中引入各种电子器件。电子器件的类型 很多，目前使用得最广泛的是半导体器件一一二极管、稳压管、晶体管、绝缘栅场效应管等。 由于本课程的任务不是研究这些器件内部的物理过程，而是讨论它们的应用，因此，在简单 介绍这些器件的外部特性的根底上，讨论它们的应用电路。 4.1 PN结和半导体二极管 4.1.1 PN 结的单向导电性 我们在物理课中已经知道，在纯洁的四价半导体晶体材料主要是硅和错中掺入微量 三价例如硼或五价例如磷元素，半导体的导电能力就会大大增强。这是由于形成了 有传导电流能力的载流子。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是

2、自由电子，称为电子半 导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或P 型半导体。在掺杂半导体中多数载流子称多子数目由掺杂浓度确定，而少数载流子称 少子数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。 在一块半导体基片上通过适当的半导体工艺技术可以形成P型半导体和N型半导体的交 接面，称为PN结。PN结具有单向导电性：当 PN结加正向电压时，P端电位高于 N端，PN 结变窄，由多子形成的电流可以由P区向N区流通，见图 4-1 a,而当PN结加反向电压时， N端电位高于P端，PN结变宽，由少子形成的电流极小，视为截止 不导通，见图4-1 b。 图4-1 PN

3、 结的单向导电性 4.1. 2 半导体二极管 半导体二极管就是由一个 PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。 由P区引出的电 极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。因为 PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向 是由阳极通过管子内部流向阴极。二极管的种类很多，按材料来分，最常用的有硅管和错管OGGOGG b PN结加反向电压 R 外加电场 外加电场 自建电场 5 自建电场 a PN结加正向电压 Gee $ R N P 两种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种；按用途来分，有普通二极管、 整流二极管、稳压二极管等多种。 (a)符号 (b)点接触型 (c)面接触型 (d)硅平面型 (

4、e)外形示意图 图4-2常用二极管的符号、结构和外形示意图 图4-2是常用二极管的符号、结构及外形的示意图。二极管的符号如图 4-2 (a)所示。 箭头表示正向电流的方向。一般在二极管的管壳外表标有这个符号或色点、色圈来表示二极 管的极性，左边实心箭头的符号是工程上常用的符号，右边的符号为新规定的符号。 从工艺结构来看，点接触型二极管(一般为错管)如图 4-2(b)其特点是结面积小，因此 结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路 里的开关元件；面接触型二极管(一般为硅管)如图 4-2(c)其特点是结面积大，结电容大， 允许通过的电流较大，适用于低频整流；

5、硅平面型二极管如图 4-2(d),结面积大的可用于大 功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。 4.1.3二极管的伏安特性 二极管的电流与电压的关系曲线 I = f (V),称为二极管的伏安特性。其伏安特性曲线 如图4-3所示。二极管的核心是一个 PN结，具有单向导电性，其实际伏安特性与理论伏安 特性略有区别。由图4-3可见二极管的伏安特性曲线是非线性的， 可分为三局部：正向特性、 反向特性和反向击穿特性。 1 . 正向特性 当外加正向电压很低时，管子内多数载流子的扩散运动没形成，故正向电流几乎为零。 当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电流，这 个电压值称为死区电压， 通常硅管

6、的死区电压约为 0.5V, 错管的死区电压约为 0.2V ,当正向电压大于死区电压后， 正向电流迅速增长，曲线接近上升直线，在伏安特性的 这一局部，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化 很小，硅管正向压降约为 0.6 0.7V ,错管的正向压降 约为0.2 0.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感， 温度 升高时，正向特性曲线向左移，如图 4-3所示，这说明， 对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研 阳极 阳极 阳极 阳极 阳极 图4-3二极管的伏安特性 204 究说明，温度每升高 10C ，正向压降减小2mV。 2. 反向特性 二极管加上反向电压时， 形成很小的反向电流， 且在一定

7、温度下它的数量根本维持不变， 因此，当反向电压在一定范围内增大时， 反向电流的大小根本恒定， 而与反向电压大小无关, 故称为反向饱和电流， 一般小功率错管的反向电流可达几十 A而小功率硅管的反向电流要 小得多，一般在0.1 a A以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性 曲线下移，研究说明，温度每升高 10C ,反向电流近似增大一倍。 3. 反向击穿特性 当二极管的外加反向电压大于一定数值反向击穿电压时，反向电流突然急剧增加称 为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。 4.1.4 二极管的主要参数 二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，参数同样能反映出二极管的电性能

8、，器件的参数 是正确选择和使用器件的依据。各种器件的参数由厂家产品手册给出，由于制造工艺方面的 原因，既使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册常给出某个参数的范围， 半导体二极管的主要参数有以下几个： 1 .最大整流电流 I DM IDM指的是二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。在使用时，假设电流超 过这个数值，将使PN结过热而把管子烧坏。 2 .反向工作峰值电压 VRM VRM是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。一般这个参数是二极管反向击穿电压的一 半，假设反向电压超过这个数值，管子将会有击穿的危险。 3 .反向峰值电流IRM IRM是指二极管加反向电压 VRM时的

9、反向电流值，IRM越小二极管的单向导电性愈好。IRM 受温度影响很大，使用时要加以注意。硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，错管的反 向电流较大，为硅管的几十到几百倍。 4 .最局工作频率 ?M 二极管在外加高频交流电压时，由于PN结的电容效应，单向导电作用退化。 ?M指的是 二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。 4.1.5 二极管的等效电路及其应用 由于二极管的伏安特性是非线性的，为了分析计算方 便，在特定的条件下，我们可以将其线性化处理，视为理 想元件。 1. 理想二极管等效电路 在电路中，假设二极管导通时的正向压降远小于和它串联 元件的电压，二极管截止时反向电流远小于与之并

10、联元件 的电流，那么可以忽略管子的正向压降和反向电流把二极管理想化为一个开关，当外加正向 电压时，二极管导通，正向压降为0,相当于开关闭合，当外加反向电压时，二极管截止, 反向电流为。，相当于开关断开，理想二极管的等效电路如图 4-4。利用理想二极管表示实 际二极管进行电路的分析和计算可以得出比拟满意的结果，但稍有一些误差。 2. 二极管应用电路举例 二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。 下面介绍几种应用电路。 1 限幅电路：限幅器的功能就是限制输出电压的幅度。 例4-1 图4-5 a就是利用二极管作为正向限幅器的电 路图。Vi = Vmsin 3t,且VmVs，试分析工作原理，

11、并 作出输出电压V。的波形。 解：a二极管导通的条件是 ViVs,由于D为理想二极 管，D一旦导通，管压降为零，此时 v。= Vs b 当Vi IZ,才能保证稳压管有较好 IZmax 管子会因过热而损坏。 (C) 图4-8稳压管电路、伏安特性及符号 208 5. 最大允许功耗PZM。管子不致发生热击穿的最大功率损耗 PZM =VZ Izmax 6. 电压温度系数a V。温度变化10C时，稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电 压温度系数越小，温度稳定性越好，通常硅稳压管在 VZ低于4V时具有负温度系数，高于6V 时具有正温度系数，VZ在4 6V之间，温度系数很小。 稳压管正常工作的条件有两

12、条，一是工作在反向击穿状态，二是稳压管中的电流要在稳定 电流和最大允许电流之间。当稳压管正偏时，它相当于一个普通二极管。图 4-8 (a)为最常 用的稳压电路，当 V,或RL变化时，稳压管中的电流发生变化，但在一定范围内其端电压变 化很小，因此起到稳定输出电压的作用。 (该电路分析见4.4节) 4.2.2 光电二极管 光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃 窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的 PN 结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载 流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下 可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随 光照强度的增

13、加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒 流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一 样。光电二极管的等效电路如图 4-9 (a)所示，图4-9 (b) 为光电二极管的符号。 光电二极管的主要参数有： 1. 暗电流：无光照时的反向饱和电流。一般 0时，D导通，电源在向 RL供电的同时，又 向C充电储能，由于充电时间常数很小(绕组电阻和二极管的正向电阻都很小) ，充电很快， 输出电压vo随v2上升，当vC =q2V2后，v2开始下降v2 vc时C又被充电vo = v2又上升。直到 v2vc, D又截止，C又放电，如此不断的充电、放电，使负载获得如图 4-14中实线所示的 vo波形。由波

14、形可见，半波整流接电容滤波后，输出电压的脉动程度大为减小，直流分量明 显提高C值一定，当RL =节 即空载时 Vo= &V2= 1.4 V2 ,在波形图中由水平虚线标出。 当RL丰 府，由于电容 C向RL放电，输出电压 V。将随之降低。总之，RL愈小，输出平均电 压愈低。因此，电容滤波只适合在小电流，且变动不大的电子设备中使用。通常，输出平均 电压可按下述工程估算取值 212 Vo =V2(半波) Vo =1.2V2 (全波) 为了到达式4-10的取值关系，获得比拟平直的输出电压, 1 RLC 芝(3 5) 式中T电源交流电压的周期。 此外，由于二极管的导通时间短导通角小于 180,而

15、电容的平均电流为零，可见二 极管导通时的平均电流和负载的平均电流相等，因此二极管的电流峰值必然较大，产生电流 冲击，容易使管子损坏。 具有电容滤波的整流电路中的二极管，其最高反向工作电压对半波和全波整流电路来说 是不相等的。在半波整流电路中，要考虑到最严重的情况是输出端开路，电容器上充有 V2m, 而V2处在负半周的幅值时，这时二极管承受了 2V2的反向工作电压。它与无滤波电容时 相比，增大了一倍。 对于单相桥式整流电路而言， 无论有无滤波电容，二极管的最高反向工作电压都是 J2V2。 关于滤波电容值的选取应视负载电流的大小而定。一般在几十微法到几千微法，电容器 耐压值应大于输出电压的最大值。

16、通常采用极性电容器。 例4-3需要一单相桥式整流电容滤波电路， 电路如图4-16所示。交流电源频率f =50Hz, 负载电阻RL=120Q，要求直流电压 Vo=30V试选择整流元件及滤波电容。 解：1选择整流二极管 流过二极管的平均电流 ID =11。=匹=1 -30 =125 mA 2 2 RL 2 120 由VO = 1.2V2,所以交流电压有效值 30 =25V 1.2 1.2 可以选用 I RM兰比，VRM云VDRM的二极管4 个。 二极管承受的最高反向工作电压 VDRM n、；2V2 =.；2 25 =35V 2选择滤波电容C T F 1 1 取 RLC =5 X ，而 T = =

17、=0.02S ,所以 2 f 50 1 T 1 0 02 C = I 5 T = I 5 0.02 =417 卬 F RL 2 120 2 可以选用C = 500F,耐压值为50V的电解电容器。 (4-10) 般要求RL占510 (4-11) Vo 图4-16例4-3的图 2.电感滤波电路 在桥式整流电路和负载电阻 RL间串入一个电感器L,如图4-17所示。利用电感的储能作 214 有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置 的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。特别 是精密电子测量仪器、自动控制、计算装置及 晶闸管的触发电路等都要求有很稳定的直流电 源供电。最简单的直流稳压电源是采用稳压管 来稳

18、定电压的。 图4-19是一种稳压管稳压电路， 经过桥式 整流电路和电容滤波器滤波得到直流电压 V, 再经过限流电阻 R和稳压管DZ组成的稳压电 路接到负载电阻 RL上。这样，负载上得到的就 是一个比拟稳定的电压。 IR _ TO -R Vi DZ 赤 图4-19稳压管稳压电路 Io V。 RL 用可以减小输出电压的纹波，从而得到比拟平滑的直流。 输出的平均电压和纯电阻(不加电感)负载相同，即 Vo = 0.9V2 (4-12) 电感滤波的特点是，整流管的导电角较大(电感 L的反电势使整流管导电角增大 )，峰值电流很小， 输出特性比拟平坦。其缺点是由于铁芯的存在，笨 重、体积大，易引起电磁干扰。

19、一般只适用于大电 流的场合。 3.复式滤波器 在滤波电容C之前一个电感L构成了 LC滤波电路。如图4-18 (a)所示。这样可使输出 至负载RL上的电压的交流成分进一步降低。 该电路适用于高频或负载电流较大并要求脉动很 小的电子设备中。Ci,如图4-18 (b)所示。这就构成了 兀LC滤波电路。 由于带有铁芯的电感线圈体积大， 价也高，因此常用电阻 R来代替电感L构成兀RC滤波 电路，如图4-18 (c)所示。只要适中选择 R和C2参数，在负载两端可以获得脉动极小的直 流电压。在小功率电子设备中被广泛采用。 4.4 稳压管稳压电路 经过整流和滤波后的电压往往会随交流电源的波动和负载的变化而变化

20、。电压的不稳定 当忽略电感器 L的电阻时，负载上 为了进一步提高整流输出电压的平滑性，可以在 LC滤波电路之前再并联一个滤波电容 图4-17桥式整流电感滤波电路 (a) LC型滤波器 (b) % LC滤波器 (c) % RC型滤波器 图4-17复式滤波电路 ZW DZS 图 4-20 例 4-5 引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化。下面分析在这两种情 况下稳压电路的作用。例如，当交流电源电压增加而使整流输出电压 Vi随着增加时，负载电 压Vo也要增加。Vo即为稳压管两端的反向电压。当负载电压 Vo稍有增加时，稳压管的电流 IZ就显著增加，因此电阻 R上的压降增加，以抵偿

21、V的增加，从而使负载电压 Vo保持近似 不变。相反，如果交流电源电压减低而使 Vi减低时，负载电压 Vo也要减低，因而稳压管的 电流Iz就显著减小，电阻 R上的压降也减小，仍然保持负载电压 Vo保持近似不变。同理， 如果当电源电压保持不变而是负载电流变化引起负载电压 Vo改变时，上述稳压电路仍能起到 稳压的作用。例如，当负载电流增大时，电阻 R上的压降也增大，负载电压 Vo因而下降。 只要Vo下降一点，稳压管电流就显著减小，通过电阻 R的电流和电阻上的压降保持近似不 变，因此负载电压 Vo也就近似稳定不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。 选择稳压管时，一般取： VZ =Vo Izmax =(

22、1.53)lomax (4-13) Vi =(2 3)Vo 例4-4有一稳压管稳压电路，如图 4-19所示。负载电阻 RL由开路变到3K Q ,交流电 压经整流滤波后得出 Vi = 45 (V )。今要求输出直流电压 VO = 15 (V)，试选择稳压管 DZ。 解：根据输出直流电压 VO = 15 (V)的要求，由式(4-13)稳定电压 VZ =Vo =15(V) 由输出电压VO = 15 (v)及最小负载电阻 RL = 3K Q的要求，负载电流最大值 Vo o max 一 _ RL 由式(4-13)计算 l Z max =3l o max =15 mA 查半导体器件手册，选择稳压管 2CW

23、20,其稳定电压 VZ = (13.5 17) (V),稳定电流 l Z =5 mA , 1 Z max =15 mA o 例 4-5 图 4-20 所示电路中， VZ =12V, Izmax =18mA, Iz=5mA，负载电阻 RL=2KQ , 当输入电压由正常值发生土 20唯勺波动时，要求负载两端电压根本不变，试确定输入电压 Vi的 正常值和限流电阻 R的数值。 解：负载两端电压 VL就是稳压管的端电压 VZ,当Vi发生 波动时，必然使限流电阻 R上的压降和VZ发生变动，引起稳压 管电流的变化，只要在 IzmaxIZ范围内变动，可以认为 VZ即 VL根本上未变动，这就是稳压管的稳压作用。

24、 a)当 Vi 向上波动 20%，即 10.2Vi 时，认为 IZ = Izmax, =18mA 因此有： , . Vz 图 4-20 例 4-5 l = l Z l L =18 一 Z max L RL216 12 =18 =24 mA 2 由 KVL得： 1.2Vi =|R 4VL =24幻0; xR+12 b)当Vi向下波动20%，即0.8Vi时，认为 |Z = 5 mA 因此有： Vz 12 I =Iz IL =5 z =5 =11 mA RL 2 由 KVL 得： 0.8叫=IR+VL =11X10 KR+12 联立方程组可得：Vi=26V , R =800 Q 习题 1.概念题 4

25、-1 (1)什么是P型半导体？什么是 N型半导体？ (2) 什么是PN结？其主要特性是什么？ (3) 如何使用万用表欧姆档判别二极管的好坏与极性？ (4) 为什么二极管的反向电流与外加反向电压根本无关，而当环境温度升高时会明显增大？ (5) 把一节1.5V的电池直接到二极管的两端，会发生什么情况？ 4-2 二极管电路如题 4-2图所示，D1、D2为理想二极管，判断图中的二极管是导通还是截止，并求 AO两端的电压VAO。 题4-2 图 15V T 三6V (c) (a) A O (c) 217 4-3 在题4-3图所示电路中， 出输出电压vo的波形 E=6V , Vi = 12sin 3 tV

26、,二极管的正向压降可忽略不计，试分别画 题4-8图 题4-9 题4-3图 电路如题4-4图所示。试分析当输入电压 VS为3V时，哪些二极管导通？当输入电压 VS为0V 时，哪些二极管导通？(写出分析过程，并设二极管的正向压降为 0.7V) 试判断题4-5图中二极管是导通还是截止？为什么？ ( D为理想二极管) -以 | | Di 巾 D2 3KQ I 莱或uz x J5V D4 0 - 工 题4-4图 题图4-6所示电路，输入电压 Vi的波形，试画出输出电压 Vo的波形 题4-6图 (1) 为什么稳压管的动态电阻愈小，那么稳压愈好？ (2) 利用稳压管或二极管的正向导通区是否也可以稳压？ (3

27、) 用两个稳压值相等的稳压管反向串联起来使用可获得较好的温度稳定性，这是为什么？ 在题4-8图所示电路中，稳压管的稳定电压 VZ=6V , Vi = 12sin 3 tV ,二极管的正向压降可 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8 2SDZI KZ DZ2 Vo (b) O- 题4-8图 题4-9 忽略不计，试分别画出输出电压 V。的波形。并说出稳压管在电路中所起的作用。218 题4-9图所示电路中，Vi = 30V , R =1K Q, RL =2K Q ,稳压管的稳定电压为 VZ =10V,稳定电流 的范围：Izmax = 20mA , Izmin =5mA，试分析当Vi波动土 10%时

28、，电路能否正常工作？如果 Vi波动 + 30%,电路能否正常工作？ 题4-10图所示电路中，稳压管 DZ1的稳定电压为8V, DZ2的稳定电压为10V,正向压降均为0.7V, 试求图中输出电压 Vo。 题 4-10 4-11 有两个2CW15型稳压管，其稳定电压分别是 8V和5.5V，正向压降均为0.7V，如果把两个稳压 管进行适当的连接，试问可能得到几种不同的稳压值，并画出相应的电路加以表示。 4-12 (1)设一半波整流电路和一桥式整流电路的输出电压平均值和所带负载大小完全相同，均不加滤 波，试问两个整流电路中整流二极管的电流平均值和最高反向电压是否相同？ (2) 单相桥式整流电路中，假设某一整流管发生开路，短路，或反接三种情况，电路中将会发生 什么问题？ (3) 在某一特殊场合，将单相桥式整流电路，不经变压器直接接入交流电源，试问：假设负载 R 一端接“地，结果如何？ (4) 电容滤波和电感滤波电路的特性有什么区别？各适用于什么场合？ 4-13