秋低频电子线路常用半导体器件原理

《低频电子线路》

(4)山东大学信息科学与工程学院

刘志军12/12/20231.回顾上节课4.2PN结PN结的形成PN结的单向导电性PN结电阻特性和电容特性PN结击穿特性PN结温度特性12/12/20232.本节课内容4.3晶体二极管及其基本电路4.3.1二极管特性曲线4.3.2二极管主要参数＊4.3.3晶体二极管模型4.3.4二极管基本应用电路4.3.5稳压二极管及稳压电路4.3.6其它二极管简介＊12/12/20233.4.3晶体二极管及其基本电路

二极管是最基本、最简单的半导体器件。二极管可以组成各种各样的电路形式。二极管电路应用十分广泛。12/12/20234.

二极管工艺与类型⑴结构和符号二极管是由管芯(PN结)加电极引线和管壳制成。结构示意和电路符号如下图所示：

12/12/20235.⑵工艺与类型根据制作工艺(Facturetechnics)不同分为：

平面型二极管：适合整流，低频应用(结电容大)

面接触型二极管：适合整流，低频应用(结电容大)点接触型二极管：适合检波，可高频应用(结电容小)12/12/20236.二极管工艺类型（图）

12/12/20237.4.3.1二极管特性曲线特性曲线(CharacteristicCurve)是描述器件性能的图形表示。二极管特性曲线与PN结特性曲线基本相同（略有区别）。正向电流有体电阻和引线接触电阻作用。反向电流有表面漏电流的影响。12/12/20238.二极管特性曲线（图）特性曲线与PN结特性相似图二极管伏安特性曲线12/12/20239.二极管特性曲线正向特性(DirectionCharacteristic)导通电压(阈值电压、死区电压)UD(ON)(室温下)Si管，UD(ON)=（0.5~0.7）VGe管UD(ON)=（0.1~0.3）V反向特性(ReverseCharacteristic)Si管，一般小于0.1A。

Ge管，一般小于几mA。12/12/202310.4.3.2二极管主要参数＊最大整流电流IF最大反向工作电压UR反向电流IR最高工作频率fm直流电阻RD和交流电阻rd12/12/202311.①最大整流电流IFIF是指管子稳定工作时，所允许通过的最大正向平均电流。使用时不应超过此值（可加散热片）。12/12/202312.②最大反向工作电压URMURM指工作时允许所加最大反向电压。通常取击穿电压U(BR)的1/2做为UR。12/12/202313.

③反向电流IRIR是指击穿前的反向电流值。此值越小表示管子单向导电性能越好。与IS有关（再加上表面漏电流），故与温度有关。12/12/202314.

④最高工作频率fm当工作频率超过fm，管子的工作性能（频率特性）变坏。fm越大频率特性越好。fm是由管子的结电容所决定的，fm大说明管子结电容小。12/12/202315.

⑤直流电阻和交流电阻直流电阻RD(DCResistance)是二极管Q点处所加直流电压UD与所流过直流电流ID之比。其几何意义是直线斜率的倒数。交流电阻rd(ACResistance)是其工作状态(U，I)处电压改变量△U与电流改变量△I之比。几何意义是曲线Q点处切线斜率的倒数。12/12/202316.二极管电阻的几何意义（图）

图二极管电阻的几何意义(a)直流电阻RD；(b)交流电阻rD12/12/202317.4.3.3二极管模型(Model)对电子线路进行分析(定量分析)时，电路中的实际器件必须用相应的电路模型（公式、图形、表格）来等效表示，这称为“数学建模”，简称“建模”。计算机辅助分析(CAA)计算要使用管子的数学模型。

12/12/202318.二极管电路模型(折线化)（图）图二极管特性的折线近似及电路模型12/12/202319.二极管电路简化模型（图）

(a)(c)(b)12/12/202320.二极管近似模型（图）以上三种电路模型(近似、简化、理想)均为二极管近似模型(线形化)。对不同电路模型可在不同需求时采用。

12/12/202321.4.3.4二极管基本应用电路二极管在低频和高频以及数字电路均有广泛的应用。以下主要介绍几种基本应用。12/12/202322.二极管几种基本应用整流电路限幅电路电平选择电路12/12/202323.①二极管整流电路把交流电转变为直流电，称为“整流”；反之称为“逆变”。整流交流电直流电逆变

12/12/202324.二极管半波整流电路及波形（图）

图二极管半波整流电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系改变电路及二极管的接入方式，可得到不同的输出波形。12/12/202325.常见整流电路半波整流全波整流桥式整流倍压整流12/12/202326.②二极管限幅电路限幅电路又称为“削波电路”，能够把输入电压变化范围加以限制，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性(指信号输出和输入的关系)。12/12/202327.限幅概念单向限幅门限电压双向限幅上门限下门限12/12/202328.限幅电路传输特性（图）图限幅电路的传输特性12/12/202329.二极管限幅电路及波形（图）

图二极管上限幅电路及波形(a)电路(b)输入、输出波形关系12/12/202330.③二极管电平选择电路电平选择电路是能够从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路形式。常用于脉冲数字电路。12/12/202331.二极管电平选择电路高电平选择低电平选择12/12/202332.二极管电平选择电路（图）图二极管低电平选择电路及波形(a)电路(b)输入、输出波形关系12/12/202333.上例说明以上为低电平选择电路。输入u1、u2，加入方波信号。E是电源为5V电压。看输出u0的变化情况。是与门电路。12/12/202334.高电平选择电路若将VD1、VD2换向，将E加负值，则可变为高电平选择电路。电路若输入数字量，则为或门电路。12/12/202335.5.3.5稳压二极管及稳压电路稳压二极管正是利用PN结的“反向击穿特性”。稳压二极管可用于限幅和稳压。12/12/202336.⑴稳压二极管符号及特性图稳压二极管及其特性曲线（a)电路符号（b)伏安特性曲线12/12/202337.稳压二极管符号（图）

12/12/202338.双向稳压管符号（图）

12/12/202339.⑵稳压二极管主要参数＊稳压电压UZ额定功耗Pz稳定电流Iz动态电阻rz温度系数

12/12/202340.稳压电压UZ指管子长期稳定时的工作电压值（电流为规定值）。注意UZ分散性较大。12/12/202341.额定功耗Pz:与材料、结构、工艺有关。使用时不允许超过此值。受热击穿限制。12/12/202342.稳定电流Iz是稳压管的正常工作电流。工作电流要限制在一个工作范围内。不能大于Izmax＝PZ/UZ（管子损坏）不能小于Izmin(管子不工作）12/12/202343.动态电阻rz是在击穿状态下，管子两端电压变化量与电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。12/12/202344.温度系数

指管子受温度影响的程度。＞7V是正温系数(雪崩击穿)；＜5V是负温系数(齐纳击穿)；5～7V温度系数最小。12/12/202345.⑶稳压二极管电路电路结构稳压管负载电阻限流电阻12/12/202346.稳压二极管稳压电路举例（图）图稳压二极管稳压电路12/12/202347.稳压电路分析当Ui和RL变化时，电路可使输出电压Uo保持稳定。UO=Ui－I×R（KVL)I=IZ﹢IL(KCL)12/12/202348.稳压电路分析当Ui变化时I变→IZ变(UZ不变)→则UO不变。I×R=UR变当RL变化IL变→I变→I×R=UR变IZ不变→UZ不变→UO不变12/12/202349.稳压电路分析是依靠R上电压变化进行调节。对限流电阻R要合理选择Rmax要使Uz还能工作，Rmin不能使IZ太大，以免烧毁。----对限流电阻R要合理选择，见书（P115）有介绍。12/12/202350.4.3.6其它二极管简介＊除以上基本二极管，还有许多其他用途的二极管（特殊二极管）。如：变容二极管光电二极管发光二极管肖特基二极管等。12/12/202351.①变容二极管变容二极管结电容（反向应用时势垒电容比较大）。变容二极管在高频电路有广泛应用，如电压～功率交换、电子调谐、功率调制等。

12/12/202352.变容二极管（图）

图变容二极管符号12/12/202353.

②光电二极管光电二极管具有光→电转换性能（光电管外壳用玻璃窗口）。

受光照端为前极，不受光照端为后极。12/12/202354.

光电二极管（图）

图光电二极管符号12/12/202355.

③发光二极管发光二极管具有电→光转换的性能。可见光有红、黄、绿、蓝、紫等。发光亮度与工作电流成比例。属于冷光源，是环保节能和绿色能源。可用于各种指示灯、七段数码显示等。12/12/202356.发光二极管（图）

图发光二极管符号12/12/202357.

小资料：LED是什么？LightEmittingDiode，即发光二极管。它是一种半导体固体发光器件，是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

12/12/202358.小资料：LED是什么？早在1907年，人们就发现了半导体材料通电发光现象，不过真正商用的LED是上世纪60年代，当时只能发红光，而且发光效率也很低。真正影响LED产业发展的高亮度白光LED在1997年。节能、环保和长寿是LED区别于传统白炽灯的三大优势，LED是“冷”光源，它不依赖灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以只有白炽灯耗能的1/10，相比普通荧光灯也要节能1/2。12/12/202359.小资料：LED是什么？LED的特点:

多变幻：LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下实现色彩和图案变化，是一种可控制的“动态光源”。寿命长：LED光源无灯丝、工作电压低，使用寿命可达5万到10万小时，也就是5年到10年时间。利环保：生产中无有害元素，使用中不发出有害物质、无辐射。新技术：与传统光源比，LED光源融合了计算机、网络、嵌入式等高新技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

12/12/202360.小资料：LED是什么？LED发光原理：LED为何寿命长？发光二极管的发光机理是由二极管特殊的组成结构决定的。二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子和多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。由此可见二极管主要是靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，其特殊的发光机理决定了它的发光寿命长达5～10万个小时。12/12/202361.

④肖特基二极管金属与N型二极管接触形成势垒区制成的二极管，称为肖特基或表面势垒二极管