第2章半导体二极管及其基本电路

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二章第二章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路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2 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 本章主要内容本章主要内容 引言引言 2.1 半导体基本知识半导体基本知识 2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.3 半导体二极管半导体二极管 2.4 二极管基本电路二极管基本电路 2.5 特殊二极管特殊二极管 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2.1 半

2、导体基本知识半导体基本知识 回顾上节主要内容回顾上节主要内容 2.1.1 半导体材料半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体本征半导体 2.1.4 杂质半导体杂质半导体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 PN结结加上正向电压加上正向电压或或正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是： P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。PN结加正向电压结加正向电压导通导通 PN结结加上反向电压加上反向电压或或反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是： P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。PN结加反向电压结加反向电压截止

3、截止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2.3 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阳极阳极阴极阴极小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管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2.3 半导体二极管半导体二极管 半导体二极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

4、结构分结结构分： 按用途分按用途分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二有整流二极管、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。极管、发光二极管、变容二极管等。点接触型点接触型：结面积小，：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型面接触型：结面积大，：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平面型平面型：结面积可小、：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。电子技术基础精品课程电子技术基础

5、精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础2.3二极管的伏安特性二极管的伏安特性 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 / mAV/ V0.20.4 2551015 0硅管硅管的伏安特性的伏安特性锗管锗管的伏安特性的伏安特性开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A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温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响 TeSTUuIiUu，则若正向电压) 1e (TS

6、UuIi伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10STIiUu，则若反向电压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1. 最大整流电流最大整流电流IF 二极管长期运行时允许通过的最大正向二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。平均电流。 其值与其值与PN结面积以及外部散热条件有关。结面积

7、以及外部散热条件有关。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 二极管反向击穿时的电压值。二极管反向击穿时的电压值。 VRM 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。3. 反向电流反向电流IR 二极管未被击穿时的反向电流，即二极管未被击穿时的反向电流，即 Is。 其值愈小，二极管的单向导电性愈好，但其对温度非常敏感。其值愈小，二极管的单向导电性愈好，但其对温度非常敏感。4. 最高工作频率最高工作频率fM 二极管工作的上限截止频率。二极管工作的上限截止频率。 结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。超过此值时

8、，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。由于结电容的作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。 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例、电路如图所示，已知二极管的例、电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电和电阻阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载

9、线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点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理想模型理想模型恒压降模型恒压降模型折线模型折线模型（a）V-I特性特性 （b）代表符号）代表符号理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系二极管等效模型二极管等效模型能模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路等效电路应根据不同的情况选择不同的等效电路：(1)在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用理想模型来近似分析是可行的。（2）当二极管的电流近似等于或大

10、于1mA时恒压降模型才是正确的。模型分析法应用举例模型分析法应用举例V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ）求）求VD和和ID当当VDD=10V 时，时，mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5 . 0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDDrRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 小信号模型小信号模型drDDdivr 即即常温下（常温下（T=300

11、K）)mA()mV(26DDdIIVrT 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。微变等效电路。静态电流静态电流Q越高，越高，rd越小。越小。vs =0 时时, Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。思考：为什么万用表不同欧姆档测二极思考：为什么万用表不同欧姆档测二极管的阻值不同？管的阻值不同？模型分析法应用举例模型分析法应用举例小信号工作情况分析小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD =

12、5V，R = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinw wt V。（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。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2.4二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电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟

13、电子技术基础模拟电子技术基础2.4二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脉动的直流电的过程称为整流整流。dr半波整流电路半波整流电路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2.4二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限幅电路限幅电路限流电阻限流电阻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2.4二极管基本电路

14、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 限幅电路限幅电路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2.4二极管基本电路二极管基本电路 开关电路开关电路 分析这种电路时，应当掌握一条基本原则，即分析这种电路时，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或

15、截止状态判断电路中的二极管是处于导通或截止状态. 先将二级管断开，然后分析正、负两极间是正先将二级管断开，然后分析正、负两极间是正电压还是负电压，若是前者则二极管导通，否电压还是负电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。则二极管截止。 dr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2.4 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举举 例例电路如图所示，求电

16、路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解： 先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。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2.5 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

17、变容二极管 肖特基二极管肖特基二极管2.5特殊二极管特殊二极管稳压二极管稳压二极管1. 伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。压。2. 主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管

18、电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？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2.5 特殊二极管特殊二极管 发光二极管（发光二极管（ light-emitting diode ） 发光二极管（发光二极管（LED）由镓（）由镓（Ga）与砷（）与砷（AS）、）、磷（磷（P）的化合物制成，当电子与空穴复合时）的化合物制成，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，包括可见光、不可见光、激能辐射出可见光，包括可见光、不可见光、激光等不同类型。光等不同类型。 发光二极管外形及符号发光二极管外形及符号 电子技术

19、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发光二极管发光二极管 发光二极管参数发光二极管参数 普通发光二极管的正向饱和压降为普通发光二极管的正向饱和压降为1.6V2.1V，正向工，正向工作电流为作电流为520mA。 超亮发光二极管有三种颜色，然而三种发光二极管的超亮发光二极管有三种颜色，然而三种发光二极管的压降都不相同。正常发光时的额定电流均为压降都不相同。正常发光时的额定电流均为20mA。 红色的压降为红色的压降为2.02.2V 黄色的压降为黄色的压降为1.82.0V 绿色的压降为绿色的压降为3.03.2V。 白色发光二极管的正向电压降约为白色发光二极管的正向电压降约为

20、3.5左右，需要正左右，需要正向工作电流向工作电流左右时，才能使其正常发光。左右时，才能使其正常发光。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发光二极管发光二极管-思考思考 1. 发光二极管直接与发光二极管直接与5V电压源相连，会发生什电压源相连，会发生什么现象？么现象？ 2. 请测试红、黄、绿、蓝、白光发光二极管的请测试红、黄、绿、蓝、白光发光二极管的正向导通电压；画出测试电路，并设计测试表正向导通电压；画出测试电路，并设计测试表格，记录测试数据并分析。格，记录测试数据并分析。 3. 将两种不同颜色发光二极管并接后接入驱动将两种不同颜色发光二极管并接后接入驱动

21、电路，会发生什么现象？电路，会发生什么现象？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2.5 特殊二极管特殊二极管 光电二极管光电二极管 光电二极管是一种光敏器件，通常用硅材料制成光电二极管是一种光敏器件，通常用硅材料制成 ，工，工作在反向工作状态作在反向工作状态 光电二极管符号及伏安特性光电二极管符号及伏安特性 光电流随光照增光电流随光照增强而增大强而增大可用于遥控、报可用于遥控、报警、微型光电警、微型光电池和光电传感池和光电传感器中。器中。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2.5 特殊二极管特殊二极管 变容二极管变容二极管

22、 变容二极管符号及压控特性变容二极管符号及压控特性 结电容（势垒电结电容（势垒电容）随反向偏容）随反向偏压的增加而减压的增加而减小小在高频中应用广在高频中应用广泛泛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2.5 特殊二极管特殊二极管 肖特基二极管（肖特基二极管（SBD）/金属半导体二极管金属半导体二极管/表面势垒二极管表面势垒二极管 变容二极管符号及压控特性变容二极管符号及压控特性 多子导电，无少子的积多子导电，无少子的积累和消散，故电容效累和消散，故电容效应小工作速度快；应小工作速度快；耗尽区只在耗尽区只在N侧，开启侧，开启电压和正向压降比电压和正向压降比PN

23、结二极管小。结二极管小。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及半导体二极管及其基本电路其基本电路基本知识基本知识PN结结半导体二极管半导体二极管特殊二极管特殊二极管PN结的形成结的形成单向导电性单向导电性伏安特性伏安特性电容特性电容特性分类分类伏安特性伏安特性主要参数主要参数等效电路等效电路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第二章第二章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 作业：作业： P33 4，7，10，11发光二极管发光二极管 普通发光二极管的检测普通发光二极管的检测 用用万用表万用表检测。利用具有检测。利用具有10k挡的指针式万用表可以挡的指针式万用