二极管及其应用

第1章二极管及其应用(共8学时)学习目标:

1．了解半导体的基本概念和本征半导体、N型半导体和P型半导体的特点。2．了解PN结的形成，掌握PN结的单向导电性。3．了解半导体二极管的结构；掌握二极管的伏安特性及主要参数。4．掌握常见的二极管应用电路（如整流滤波电路、稳压电路等）的工作原理及分析方法。5．掌握使用万用表对二极管作简易测试的方法。本章内容1.1半导体基础知识1.2二极管基本特性1.3二极管的应用1.4其它二极管简介

1.5二极管性能的检测

1.6项目设计：二极管应用电路(课外时间完成)小结

按导电能力看，物质分有哪几类呢？各有什么特点呢？物质分有导体、绝缘体和半导体三类导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体常用的半导体材料有：硅、锗、硒、砷化镓以及金属氧化物和硫化物等1.1半导体基础知识1.1.1半导体的主要特性本征半导体：纯净的不含任何杂质的半导体◆本证半导体的特性：1）半导体具有很好的掺杂性

半导体的电导率会因加入杂质而发生显著的变化2）半导体具有很好的温敏性

温度的变化也会使半导体的电导率发生显著的变化3）半导体具有很好的光敏性

半导体的光电效应较好，光照不仅可以改变半导体的电导率，而且可以产生电动势1.1半导体基础知识1.1.2N型半导体和P型半导体本征半导体中掺入少量的五价元素，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。在N型半导体中以自由电子导电为主，自由电子称为多数载流子（简称多子），而空穴称为少数载流子（简称少子）。N型半导体的共价键结构1.1半导体基础知识1.1.2N型半导体和P型半导体本征半导体中掺入少量的三价元素，使每一个三价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成P型半导体。

在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，以空穴导电为主，空穴称为多数载流子，而自由电子称为少数载流子。

P型半导体的共价键结构1.1半导体基础知识1.1.3PN结的导电特性1.PN结的形成在一块本征半导体上，通过掺杂使一侧形成N型半导体，另一侧形成P型半导体，则在两种半导体交界面上形成一个很薄的空间电荷区，叫做PN结。

1.1半导体基础知识1.1.3PN结的导电特性2.PN结的单向导电性（1）外加正向电压在正常工作范围内，PN结上外加电压只要稍有变化，便能引起电流的显著变化。这样，正向的PN结表现为一个很小的电阻。1.1半导体基础知识1.1.3PN结的导电特性2.PN结的单向导电性（2）外加反向电压PN结在反向偏置时，可认为基本上是不导电的，表现为一个很大的电阻。

1.1半导体基础知识1.1.3PN结的导电特性2.PN结的单向导电性由此可见，PN结正向偏置时，正向电阻很小，形成较大的正向电流；PN结反向偏置时，呈现较大的反向电阻，反向电流很小，这就是PN结的单向导电性。PN结具有单向导电性的关键是它的阻挡层的存在及其随外加电压而变化。1.1半导体基础知识1.1.3PN结的导电特性3.PN结的击穿当加于PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然急剧增大，这种现象称为PN结的反向击穿。对应于电流开始剧增时的电压称为反向击穿电压。PN结击穿分为“雪崩击穿”和“齐纳击穿”。发生以上两种电击穿时，当反向电压下降到击穿电压以下时，PN结的性能仍能恢复到原来的状态。

热击穿是不可恢复的，在应用中应尽量避免。1.2二极管的基本特性1.2.1二极管的伏安特性与主要参数1.二极管的伏安特性把一个PN结的两端接上电极引线，外面用金属（或玻璃、塑料等）管壳封闭起来，便构成了二极管。

1.2二极管的基本特性1.2.1二极管的伏安特性与主要参数1.二极管的伏安特性二极管的导电特性实际上就是PN结的单向导电性，加在二极管两端的电压和流过二极管电流之间的关系称为二极管的伏安特性。1.2二极管的基本特性1.2.1二极管的伏安特性与主要参数1.二极管的伏安特性（1）正向特性（2）反向特性（3）反向击穿特性

1.2二极管的基本特性1.2.1二极管的伏安特性与主要参数2.二极管的温度特性正向特性随温度升高而左移，反向饱和电流随温度升高而剧增。半导体二极管温度的稳定性不好，所以在使用时要注意温度的影响。1.2二极管的基本特性1.2.1二极管的伏安特性与主要参数3.二极管的伏安特性表达式式中iD为流过二极管的电流；IS为反向饱和电流；uD为外加电压；UT为温度的电压当量，常温（T＝300K）时，UT＝26mV；e为自然对数的底，e≈2.71828。1.2二极管的基本特性1.2.1二极管的伏安特性与主要参数4.二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM

是二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流。（2）最高反向工作电压URM

是保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向电压。（3）反向饱和电流IS

是二极管未击穿时的反向电流值。（4）最大功耗PM

是保证二极管安全工作所允许的最大功率损耗。1.2二极管的基本特性1.2.1二极管的伏安特性与主要参数4.二极管的主要参数（5）直流电阻RD

是二极管特性曲线上工作点所对应的直流电压与直流电流之比。（6）交流电阻rd

。

（7）最高工作频率fM

如果通过二极管的信号频率超过管子的最高工作频率，则二极管的单向导电性变差。。1.3二极管的应用1.3.1二极管电路的分析方法理想二极管的模型硅二极管的实用模型二极管小信号模型1.3二极管的应用1.3.1二极管电路的分析方法例1-1硅二极管电路如图所示，试分别用二极管的理想模型、实用模型计算回路中的电流ID和输出电压UO

。解：假定移去二极管VD得Ua＞Ub，且Ua－Ub＞0.7V，故在理想模型和实用模型中，二极管均导通。1）理想模型2）实用模型1.3二极管的应用1.3.2二极管限幅电路1．上限幅电路1.3二极管的应用1.3.2二极管限幅电路2．下限幅电路1.3二极管的应用1.3.2二极管限幅电路3．双向限幅电路1.3二极管的应用1.3.3二极管整流电路1．单相半波整流1.3二极管的应用1.3.3二极管整流电路2．单相全波整流1.3二极管的应用1.3.3二极管整流电路3．单相桥式整流1.3二极管的应用1.3.4滤波电路1．电容滤波电路1.3二极管的应用1.3.4滤波电路2．电感滤波电路1.3二极管的应用1.3.4滤波电路3．复式滤波电路1.3二极管的应用1.3.4滤波电路3．复式滤波电路1.3二极管的应用1.3.4滤波电路3．复式滤波电路1.3二极管的应用1.3.5二极管稳压电路1．稳压二极管的特性曲线及主要参数稳压管的稳压作用在于，电流增量ΔIZ很大，只引起很小的电压变化ΔUZ。在正常反向击穿区内，曲线越陡，交流电阻rZ＝ΔUZ／ΔIZ越小，稳压管的稳压性能越好。

1.3二极管的应用1.3.5二极管稳压电路1．稳压二极管的特性曲线及主要参数1）稳定电压UZ

稳定电压指流过规定电流时稳压管两端的反向电压值，其值取决于稳压管的反向击穿电压值。2）稳定电流IZ

稳定电流IZ是指稳压管的工作电压等于稳定电压UZ时通过管子的电流。3）最大耗散功率PZM和最大工作电流IZM

它们是为了保证管子不被热击穿而规定的极限参数，其中PZM＝IZMUZ

。4）动态电阻rZ

动态电阻rZ是指稳压范围内电压变化量与相应的电流变化量之比。5）电压温度系数Stv

电压温度系数是指温度每增加1oC时，稳定电压的相对变化量。1.3二极管的应用1.3.5二极管稳压电路1．稳压二极管的特性曲线及主要参数使用稳压管的注意事项1）稳压管必须工作在反向偏置。2）稳压管工作时的电流应在稳定电流和允许的最大工作电流之间。为了不使反向击穿电流超过，电路中必须串接限流电阻。3）稳压管可以串联使用（串联后的稳压值为各管稳压值之和），但不能并联使用，以免因稳压管稳压值的差异造成各管电流分配不均匀，引起管子过载损坏。1.3二极管的应用1.3.5二极管稳压电路2．稳压二极管的稳压电路例1-9稳压二极管的稳压电路如图所示，R是稳压二极管的限流保护电阻。当输入电压Ui或负载RL发生变化时，试分析输出电压UO的变化情况。

1）当Ui升高而RL不变时UO基本保持不变；同理当Ui降低而RL不变时，UO也基本保持不变。2）当Ui不变而RL减小时UO基本保持不变；同理当Ui不变而RL增大时，UO也基本保持不变。1.3二极管的应用1.3.5二极管稳压电路2．稳压二极管的稳压电路例1-10如图所示电路中，稳压管VS1的稳定电压UZ1＝8V，VS2的稳定电压UZ2＝6V，输入电压ui＝12sinωtV，试画出输出电压uo的波形。由uo的波形图中可以看出该电路实现了双向限幅稳压。1.4其它二极管简介1.4.1发光二极管发光二极管（LED）是一种能将电能转换成光能的特殊二极管，常用来作为显示器件，除单个使用外，也常作成七段式或矩阵式，工作电流一般为几毫安至十几毫安之间。1.4其它二极管简介1.4.2光电二极管光电二极管可应用于光的测量。当制成大面积的光电二极管时，可作为一种能源，称为光电池。1.4其它二极管简介1.4.3变容二极管二极管存在着结电容效应，结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。变容二极管在高频技术中应用较多。1.5二极管性能的检测测量未知极性的二极管时，若万用表欧姆档测试指示为低电阻，则黑表笔所接的电极为被测管的正极，红表笔所接的电极为被测管的负极，所测得的电阻为二极管的正向电阻。将黑表笔接被测二极管的负极，红表笔接被测二极管的正极，则测得的电阻值为二极管的反向电阻。如果两次测量的电阻值均很小，则表明二极管内部击穿；如果两次测量的电阻值均接近无穷大，则表明二极管内部断路。1.6项目设计二极管应用电路（课外时间完成）半导体二极管是重要的电子器件之一，它的应用十分广泛，了解各种二极管的应用是掌握现代电子技术的基本要求。本项目通过设计几种典型的二极管应用电路，达到以下目标：

1）掌握整流电路的结构与功能

2）掌握限幅电路的结构与功能

3）掌握稳压二极管的应用1.6.1项目说明1)设计一全波整流电路，该电路的输入电压为20V/50Hz。选择参数恰当的半导体二极管，画出电路原理图，并注明所有元器件参数。2)设计一双向限幅电路，输出电压被限制在－2V至＋2V范围内，即输出电压幅度为≤2V，画出电路原理图，并注明所有元器件参数。3)设计一稳压二极管电路，要求输入电压在5～9V时，负载可获得稳定的电压3.2V。画出电路原理图，并注明所有元器件参数。4)利用EDA技术对上述三种电路进行仿真演示电路，并保留图片。5)在上述三种电路中选择出一种电路进行实际制作，并进行调试与检测。请在两周时间内完成上述各项任务。1.6.2任务内容1.实物成果——实际制作的电路板。2.书面(或电子文稿)成果——项目设计报告。本项目设计报告应包括下列内容：封面（含有课题名称、作者等一些基本信息）目录前言设计任务(工作内容、成果目标等)理论分析(或设计方案)操作过程(制作、安装、调试、检测等)结果与讨论总结(收获与体会)参考资料1.6.3成果形式本项目设计的评价采用优、良、合格、不合格四个等级。1.合格：按时完成上述各项任务；项目报告内容完整；明确电路基本工作原理；所制作的实际电路能够正常工作和使用。2.良好：在达到合格条件的基础上，对电路中各元件的作用均有正确的解释和说明；口头答辩流畅，体现出理论和实践均有较好的理解和掌握。3.优秀：在达到良好条件的基础上，对项目设计过程中出现的电