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结构

二极管=PN结+管壳+引线

正极引线触丝支架外壳负极引线PN结P型锗(硅)

N型锗（硅）NP电路符号阳极+阴极-内部结构二极管按结构分为三大类1.点接触型二极管

PN结的面积小，结电容小，不能承受高的反向电压和大电流，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

为小电流的整流管。二极管按结构分为三大类2.面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。3.平面型二极管

用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。半导体二极管实物图片二极管的伏安特性RDUIDuD+–D0反向击穿B0.4A1.2正向导通死区0.8CUR(V)反向截止IF(mA)IR(μA)二极管的伏安特性曲线UF(V)1.正向特性（1）不导通区（死区）：OA段（2）导通区：AB段2.反向特性（1）反向截止区：OC段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。（2）反向击穿区：CD段伏安特性受温度的影响00.41.20.8UR(V)IF(mA)IR(μA)二极管的伏安特性曲线UF(V)200C800C1.温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动。这是因为温度升高时，扩散运动加强，产生同一正向电流所需的压降减小的缘故。2.温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动。这是因为温度升高时，本征激发加强，半导体中少子数目增多，在同一反向电压下，漂移电流增大的缘故。伏安特性受温度的影响3.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动能，当它与PN结内的原子发生碰撞时，产生了很多的电子—空穴对，使PN结内的载流子数目急剧增加，并在反向电压作用下，形成很大的反向电流。因此，温度升高时，反向击穿电压减小。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URM

减小，反向饱和电流IS增大。反向击穿——齐纳击穿D0反向击穿CUR(V)反向截止IF(mA)IR(μA)二极管反向的特性曲线UF(V)在通常情况下，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通。在高掺杂的情况下，因耗尽层厚度很薄，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。也称为隧道击穿。反向击穿——雪崩击穿D0反向击穿CUR(V)反向截止IF(mA)IR(μA)二极管反向的特性曲线UF(V)材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，耗尽层中的电场随着增强。这样通过耗尽层的电子和空穴，就会在电场作用下，获得更大的能量。它们将不断的与晶体原子发生碰撞，通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子-空穴对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自由电子和空穴对。如此连锁反应，使得耗尽层中的载流子的数量雪崩式地增加，流过PN结的电流就急剧增大击穿PN结，这种碰撞电离导致击穿称为雪崩击穿。反向击穿——热击穿D0反向击穿CUR(V)反向截止IF(mA)IR(μA)二极管反向的特性曲线UF(V)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，就可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。二极管的主要参数1.最大正向电流IDM常称额定工作电流，它是指长期使用时，允许流过二极管的最大平均电流。因为电流通过PN结时要引起管子发热，电流太大，发热量超过一定限度，就会使PN结烧坏。IDM的大小取决于PN结的面积、材料和散热条件。2.反向峰值电压URM常称额定工作电压，它是为了保证二极管不致反向击穿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，甚至会因过热而烧坏。二极管的主要参数3.反向饱和电流IS在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向饱和电流。该电流越小，二极管的单向导通性能就越好。4.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率，其大小主要由二极管的势垒电容CT和扩散电容CD的大小来决定。二极管的选择要求导通电压低时，选锗管；要求反向电流小时，选硅管。要求导通电流大时，选平面型；要求工作频率高时，选点接触型。要求反向击穿电压高时，选硅管。要求耐高温时，选硅管。二极管电路模型引入模型的目的：简化电路计算；方法：非线性器件作线性化处理。二极管常用电路模型有：理想开关模型恒压降模型折线模型理想开关模型RDUiDuD+–uDiD0导通时，UD=0，i由电路参数决定。即

iD=U/R特点：uD>0时,二极管导通;uD<0时,二极管截止。截止时，iD=0，UD由电路参数决定。其伏安特性可表示为：如右图所示；其电路模型为：或×恒压降模型RDUiDuD+–uDiD0导通时，UD=Uon，i由电路参数决定。即:

iD=(U-Uon)/R特点：uD>0.7V（硅管）时,二极管导通;uD<0.7V（硅管）时,二极管截止。截止时，iD=0，UD由电路参数决定。其伏安特性可表示为：如右图所示；其电路模型为：UonUon硅管：Uon=0.7V锗管：Uon=0.3VUon是二极管的开启电压。折线模型RDUiDuD+–uDiD0特点：uD>Uon时,二极管导通;其伏安特性可表示为：如右图所示；其电路模型为：UonDrD其中：rD折线斜率的倒数。UonuD<Uon时,二极管截止;iD=0，UD由电路参数决定。例题1已知某电路结构与电路参数如下图所示，D为理想二极管。试分析：①二极管D导通还是截止？

②UAB=？DR=2Ω

E1=6VE2=4VAB解答：假设D正偏，根据KVL可得：I因为电流I为负值，所以D截止。例题2下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，①求输出端Y的电位，并说明二极管的作用。②如果VB=4V，求输出端Y的电位。DA

–5VYABDBR解答：DA优先导通，则Y

=VA–UDA=3-0.3=2.7VDA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。

例题3下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui=6sinωt（V）,

E=3V,试画出uo波形。

DREuiu0+-+-AB

t

t

ui

(V)uo(V)600π2π3π-633-6π2π3π例题4下图是二极管双向限幅电路，D为硅管，ui=6sinωt（V）,

E=3V,试画出uo波形。

DREuiu0+-+-AB

t

t

ui

(V)uo(V)600π2π3π-63.73.7-3.7π2π3πEDC-3.7特殊二极管及应用根据二极管的不同用途，二极管分为：整流二极管稳压二极管发光二极管光敏二极管整流二极管整流：把交流电变成直流电的过程。二极管单相整流电路：把单相交流电变成脉动直流电的电路。整流原理：二极管的单向导电特性。单相整流电路种类半波整流全波整流桥式整流单相半波整流电路DABC变压器将电源电压u1(正弦波)变为整流电路所需的电压u2；其瞬时表达式为：t1t3t2t4①u2正半周时，A点电位高于B点电位，二极管D正向导通，则：uL≈u2；iL≈uL/RLt1②

u2负半周时，A点电位低于B点电位，二极管D反向截止，则：iL≈0；uL≈0t2t3t4由波形可见，u2一个周期内，负载只有单个方向的半个波形，这种大小波动，方向不变的电压或电流称为脉动直流电。由于电路仅利用u2的半个波形，故称为半波整流电路。半波整流电路的电压与电流负载RL上的电压与电流：负载电压：负载电流：整流二极管上的电压与电流：二极管最大反向峰值电压：二极管正向工作电流：选管条件及电路特点选管条件①二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压。②二极管允许的最大整流电流应大于流过二极管的实际工作电流。电路特点电路结构简单，但电源利用率低，纹波成分大。例题5一直流负载，如右图所示。电阻RL为1.5kΩ，要求工作电流为10mA，如果采用半波整流电路，试求变压器次级的电压U2和二极管所承受的最大反向电压URM。解：因为D二极管承受的最大反向电压为：单相全波整流电路C0D1ABD2变压器次级引出两个电压u2a和u2b；以O点为参考点，两电压大小相等，相位相反；即：t1t2t3t4①0～t1时，u2a正半周，A点电位高于B点电位，二极管D1正向导通；t1②t1～t2时，u2b正半周，A点电位低于B点电位，二极管D2正向导通；t2t3t4由波形可见，一个周期内，D1和D2交替导通，负载电流IL=ID1+ID2，负载RL得到全波脉动的直流电流和电压；这种整流电路称为全波整流电路。全波整流电路的电压与电流负载RL上的电压与电流：负载电压：负载电流：整流二极管上的电压与电流：二极管最大反向峰值电压：二极管正向工作电流：C0D1ABD2选管条件及电路特点选管条件①二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压两倍以上。②二极管允许的最大整流电流应大于流过二极管的实际工作电流。电路特点电源利用率高，纹波成分小，但对变压器要求较高。桥式整流电路BA①0～t1时，u2正半周，A点电位高于B点电位，二极管D1和D3正向导通；AB②t1～t2时，u2负半周，A点电位低于B点电位，二极管D2和D4正向导通。BA桥式整流电路的电压与电流负载RL上的电压与电流：负载电压：负载电流：整流二极管上的电压与电流：二极管最大反向峰值电压：二极管正向工作电流：滤波电路滤波电路的作用滤除脉动直流电中的脉动成分。滤波电路的种类电容滤波器、电感滤波器、复式滤波器。电容滤波器（半波整流）DCt1t2t2工作原理利用电容器两端电压不能突变原理平滑输出电压。在0～t1期间，A点电位高于B点电位，二极管D正向导通，电容器C充电；在t1～t2期间，由于VC＞u2，二极管D反向截止，电容器C放电；放电时间长短与电容器C的电容量和负载RL的大小有关。+uC-AB电容C较小电容C较大具有电容滤波器的半波整流电路电容滤波器（全波整流）

ULto工作原理与半波整流电路相同，不同点是:u2正、负半周内，整流二极管D1和D2轮流导通，一个周期内对电容器C两次充电，缩短了电容器C向负载的放电时间，从而使输出电压更加平滑。输出电压估算公式为：电容滤波器电路特点：电容器与负载并联。应用：小功率电源滤波电容的选择电容的选择要从电容耐压和容量两个方面考虑：耐压：在电路中电容耐压值要大于负载开路时整流

电路的输出电压。容量：滤波电容器C的容量选择与电路中的负载电

流有关，当负载电流加大后，要相应的增加电容量。输出电流IL（A）210.5～10.1～0.50.05～0.140.05以下电容器容量C（μF）400020001000500200～500100电感滤波器D1D20+uL-L工作原理利用流过电感的电流不能突变原理平滑输出电流。当电路电流增加时，电感存储能量；当电流减小时，电感释放能量；使负载电流比较平滑，从而得到比较平滑的直流电压。特点：电感器与负载串联。应用：较大功率电源中。缺点：体积大、重量大。t

uL0复式滤波器结构特点：电容与负载并联，电感与负载串联。性能特点：滤波效果好。复式滤波器分为两类：L型滤波器π型滤波器LCC1C2稳压二极管0反向击穿区UBRUR(V)反向截止区IF(mA)IR(μA)二极管反向的特性曲线UF(V)稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体二极管，其伏安特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阻配合后能起稳定电压的作用，故称稳压管。

普通二极管反向击穿电压越大越好，一般UBR

>100V。UZIZminIZmaxΔIZ稳压二极管的反向曲线越陡，即动态电阻

rZ越小，稳压性能越好。普通稳压二极管工作电压：UBR

=UZ=2.5～30V。DZ稳压电路的稳压过程RC+UL-DZ+UD-+UR-+UC-IRILIDUL↓=UD↓→ID↓→IR↓→UR↓→UL↑Dz为稳压管，起电流调节作用，C为滤波电容，起恒定电压作用，R为限流电阻，起电压调节作用。稳压二极管的主要技术参数稳定电压UZ——稳压管在规定电流下的反向

击穿电压。稳定电流IZ——稳压管在稳定电压下的工作

电流。最大稳定电流IZmax——稳压管允许长期通过

的最大反向电流。动态电阻rZ——稳压管两端电压变化与电流

变化的比值，即:ΔUZ/ΔIZ。

rZ越小，稳压性能越好。

例题6如图所示电路中，R

=RL=500Ω,DZ的稳定工作电压UZ=6V;求:①当Ui=10V

时，UO

和IZ分别为多少？②当Ui=20V

时，UO

和IZ分别又为多少？解：①当Ui=10V

时，因为：UO+-RDZRLUi+-IZILIR所以：UO=5V，IZ=0.②当Ui=20V

时，因为：所以：UO=UZ=6V，作业1如图所示电路中，DZ的稳定工作电压UZ=10V，工作电流范围为：10～60mA;输入电压Ui=20V

±20%；负载

RL的变化范围为1～2kΩ,试确定限流电阻R的范围？UO+-RDZRLUi+-IZILIR作业2画出一个桥式整流、电容滤波的稳压电路；简述电路的稳压过程。如果变压器次级输出为：u2=141sinωt（V），那么在滤波电容两端的电压平均值为多少？发光二极管发光二极管（Light-EmittingDiode）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。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，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，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。结构与电路符号电路符号发光二极管的使用

发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：式中:E为电源电压；

UF为LED的正向压降；

IF为LED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。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。发光二极管的优点安全性

LED使用低压电源，供电电压在6-24V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

公共场所。效能消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。稳定性抗冲击和