第1章二极管及其应用电路

1第1章二极管及其应用电路1.1半导体的基本知识1.2PN结1.3二极管1.4二极管的应用电路1教学目标与要求

熟悉半导体的导电特性。

掌握PN结的特性。

了解二极管的结构，掌握其工作原理、特性曲线及其主要参数。

掌握稳压二极管的稳压特性，了解其主要参数；了解发光二极管、光电二极管等半导体器件的结构、工作原理及其应用场合。21.1半导体的基本知识物质的分类（按导电性能分）①导体：低价元素（如Cu、AI等）导电性能好②绝缘体：高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶）导电性能极差③半导体：四价元素（如Si、Ge等）导电性能介于导体和绝缘体之间（1）热敏特性半导体的多变特性（2）光敏特性温度升高导电能力显著变化。如热敏电阻光线照射导电能力显著变化。如光电二极管载流子3（3）掺杂特性在本征半导体中掺入少量的有用的杂质，导电能力显著增强。如二极管、晶体管等。1.1.1本征半导体定义SiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键价电子晶体原子的结合方式共价键纯净的具有单晶体结构的半导体称为本征半导体。如图所示4SiSiSiSiSiSiSiSiSi

2.本征半导体的特点（1）有两种载流子，即自由电子和空穴，且数目相等，即成对出现。（2）可形成两种电流，即电子电流和空穴电流。空穴自由电子注意（1）金属导体只有一种载流子即自由电子。本征激发复合

（2）本征半导体中，自由电子和空穴的浓度相等。5（3）本征半导体中载流子的浓度与环境温度有关；温度T载流子的浓度导电能力增强

（4）导电能力仍不如导体。

（5）绝对零度（T=0K）时，本征半导体成为绝缘体。1.1.2杂质半导体①N型半导体②P型半导体多余电子

在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）

N型半导体的特点：①有两种载流子，即自由电子和空穴。自由电子是多子，空穴是少子；1.N型半导体N型半导体SiSiSiP+SiSiSiSiSi6SiSiSiSiB-SiSiSiSi②主要靠自由电子导电。2.P型半导体

在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）P型半导体空位空穴

P型半导体的特点：①有两种载流子，即自由电子和空穴。空穴是多子，自由电子是少子；②主要靠空穴导电。

杂质半导体中的杂质原子必须是微量的，且有用，否则将改变半导体的晶体结构。【特别提示】7

在杂质半导体中，所掺杂质的浓度基本上取决于多子的浓度；而温度决定少子的浓度很低。

杂质半导体（N型半导体或P型半导体）仍呈中性。

1.2PN结

1.2.1PN结的形成扩散运动漂移运动动态平衡（一定宽度）空间电荷区PN结---------------+++++++++++++++P区多子N区多子---------------+++++++++++++++空间电荷区内电场说明

空间电荷区又称耗尽层8

1.2.2PN结的单向导电性

1.PN结正向偏置外加正向电压或正向接法

PN结的正向电流可视为由多子的扩散运动形成的。---------------+++++++++++++++空间电荷区内电场RUS外电场变窄内电场外电场USRP区N区---+++I【特别提示】9

2.PN结反向偏置外加反向电压或反向接法

PN结的反向电流可视为由少子的漂移运动形成。---------------+++++++++++++++空间电荷区内电场RUS外电场---------+++++++++变宽内电场RUS外电场I

PN结的反向电流对温度很敏感。【特别提示】10

PN结正向偏置空间电荷区变窄正向电阻很小正向电流较大PN结导通

PN结反向偏置空间电荷区变宽

（理想时为∞）反向电流（反向饱和电流）极小（理想时为0）PN结截止反向电阻很大PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止单向导电性结论（理想时为0）11说明PN结的结电容Cj①势垒电容Cb②扩散电容CdCj=Cb+Cd

1.2.3PN结的电流方程IS：反向饱和电流q：电子电量k：波尔兹曼常数T：热力学温度温度的电压当量则常温时，即T=300K（即27℃）时，UT≈26mV说明12构成:实质上就是一个PN结PN结+引线+管壳1.3二极管+-阳极阴极

特性：单向导电性外形及图形符号阳极阴极PN131.3.1二极管的类型和结构

1.二极管的类型按所用材料不同分①硅管②锗管按用途不同分①普通管②整流管③开关管按内部结构不同分①点接触型②面接触型③平面型大功率整流元件多为锗管多为硅管142.二极管的结构（1）点接触型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳

结面积小、结电容小、正向电流小。特点用途用于高频电路的检波和变频等。15（2）面接触型结面积大、正向电流大、结电容大。特点用途多用于工频大电流整流电路。（3）平面型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线结面积可大可小。特点用途多用于低频整流和开关电路中。阴极引线阳极引线SiO2保护层P型硅N型硅161.3.2二极管的伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点硅0.6~0.8V典型值0.7V锗0.1~0.3V典型值0.2V死区电压uiPN+–PN–+非线性17说明（1）PN结的反向击穿①齐纳击穿（反向击穿电压较低）②雪崩击穿（反向击穿电压较高）发生场合：高掺杂场合。

因高掺杂，故耗尽层较窄，不太高的反向电压即可在耗尽层内形成很强的电场，使价电子挣脱共价键的束缚，产生电子—孔穴对，导致反向电流急剧增加。

因低掺杂，故耗尽层较宽，较高反向电压，使耗尽层内少子漂移速度加快而碰撞出共价键的价电子，产生电子—孔穴对，并导致载流子雪崩式的倍增，使反向电流急剧增加。发生场合：低掺杂场合。18（2）理想二极管正向导通电压降和反向电流均为零。特点uiO实际特性实际特性理想特性理想特性当外加电压远大于二极管的正向导通电压降，且不计其反向电流时，可将二极管视为理想二极管。19

二极管的特性与环境温度有关。当环境温度升高时，正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移，反饱和电流将增加，而反向击穿电压将降,

如图所示。Ou/Vi/mA25℃60℃U(BR)Bi/μA死区电压正向特性反向特性A【特别提示】20

一般地，硅二极管所允许的结温比锗二极管的高（硅管的最高结温约为150℃，锗管的约为90℃），故大功率的二极管几乎均为硅管。

二极管的正向特性曲线不是直线，而是近似为指数

曲线。故二极管是一个非线性器件。1.3.3二极管的主要参数1.最大整流电流IFM：指平均值。要求ID(AV)≤IFM2.最高反向工作电压URM：指最大值。要求URm≤URM3.静态电阻RD二极管的静态电阻（又称直流等效电阻）是指静态时加到二极管两端的直流电压U与所通过的直流电流I之比，用RD表示。21u/Vi/mAOUIQ图1.3.5二极管的静态电阻α静态工作点显然，静态工作点不同，二极管的静态电阻也不同。静态工作点越高（即静态电流I越大），静态电阻越小。4.动态电阻Rd二极管的动态电阻（又称交流等效电阻）是指二极管在静态工作点附件电压的变化量与电流的变化量之比，用rd表示，即22u/Vi/mAOQ图1.3.6二极管的动态电阻△i△uα若加到二极管两端的电压仅在静态工作点的附近作微量的变化，则可以得出常温下，由于UT=26mV故上式又可写为可见，二极管的动态电阻与静态工作点的位置有关，静态工作点越高，即静态电流I越大，则二极管的动态电阻越小。231.3.4特殊二极管

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压区：反向击穿区1）符号

2）伏安特性UZIZIZMUZIZu/Vi/mAO1.稳压二极管

243）稳压管的主要参数（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ（或IZmin)（4）额定功耗PZM（5）动态电阻rzIZ好要求：rZ好注意稳压管电路中必须要串联限流电阻！UZIZIZMUZIZu/Vi/mAOAB（3）最大稳定电流IZM25稳压管的正常稳压区在其反向击穿区内。为保证稳压管安全地起到稳压作用，要求

【例1-3-1】如图所示电路UI＝24V，VZ的型号为2CW58，UZ＝10V，IZ＝5mA，IZM＝23mA，限流电阻R＝500Ω，为保证电路为负载RL提供10V的稳定直流电压，试确定负载电阻RL的适用范围。RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL【特别提示】26当稳压管工作于稳压区时，若负载电阻RL最小，则负载电流IL最大。由于IR不变，故由上式可知，稳压管的电流IDZ最小。此时，应有

【解】为保证电路输出10V的稳定直流电压，应使稳压管安全地工作于稳压区。根据KCL得解得RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL27若负载电阻RL最大，则负载电流IL最小。由于IR不变，故稳压管的电流最大。此时，应有解得RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL所以，负载电阻RL的适用范围为435Ω～2kΩ。282.发光二极管LED(LightEmittingDiode)1）类型①可见光②不可见光③激光

3）应用：显示电路2）特性和符号工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(1.53)V符号u/Vi

/mAO2特性USRLED293.光电二极管1）特性及符号uE＝0iE1E2O

①无光照时，与普通二极管一样（反向电流称为暗电流）；

②有光照时特性曲线下移。

（a）在第三象限中，照度一定时，光电二极管可视为一恒流源光电流>几十μA时光电流∝光照遥控、报警、光电传感器（b）在第四象限中呈光电池特性302）应用电路（a）光电二极管反向偏置时的应用iUSR+-uRVD（b）光电二极管形成光电池Ri+-uRVD311.4二极管的应用电路1.4.1整流电路

将大小和方向随时间变化的交流电压变成单一方向的、脉动的直流电压的过程称为整流。整流原理详见第10章。1.4.2检波电路

调制的方式通常分为调幅、调频和调相三种。tuo调制信号O低通滤波器包络检波原理检波输出调幅波检波器件ui载波调制信号Ot321.4.3.限幅电路将输出电压的幅值限制在一定数值范围之内的电路称为限幅器。限幅器又称为削波器。1.4.4钳位电路将电路中某点的电位钳制在某一数值上，称为钳位。二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。否则，正向管压降硅0.6～0.8V（典型值取0.7V）锗0.1～0.3V（典型值取0.2V）33-10（b）波形图uo/VOωt5.7-5.7π2π3π10ui

【例1-4-1】如图（a）所示电路，设输入电压，，US1＝US2＝5V，VD1和VD2均为硅管，其正向导通电压降UD＝0.7V。试画出输出电压uo的波形。VD1VD2Ruiuo+-US1US2+-（a