《模拟电子技术基础与实验应用教程》第1章 半导体二极管及其应用

第1章半导体二极管及其基本应用1.1

二极管的特性及主要参数1.2二极管的基本应用1.3特殊二极管及其基本应用1.4二极管的使用知识本章小结半导体二极管简称二极管常温下导电能力很差掺杂可控制其导电能力对温度、光照敏感普通二极管：整流、检波、开关二极管等特殊二极管：稳压、发光、光电、变容二极管等二极管的伏安特性、单向导电性、基本应用；特殊二极管的特点、基本应用。引言半导体——导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，常用于制造半导体器件的材料为硅（Si）、锗（Ge)等。半导体导电特点二极管分类本章重点第1章半导体二极管及其基本应用1.1二极管的特性及主要参数1.1.1半导体的基本知识1.1.2二极管的结构与类型1.1.3二极管的伏安特性1.1.4二极管的主要参数一、本征半导体与两种载流子半导体—

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体

—纯净的单晶半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动1.1.1半导体的基本知识本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。二、杂质半导体掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体1、N型半导体本征半导体中掺入五价元素后形成以自由电子为多数载流子的杂质半导体（空穴为少数载流子）2、P型半导体本征半导体中掺入三价元素后形成以空穴为多数载流子的杂质半导体（电子为少数载流子）三、PN结及其单向导电性1、PN结载流子的浓度差引起多子的扩散，复合使交界面形成空间电荷区(耗尽区)，同时建立一内电场

空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，有利于少子的漂移。2、PN结的单向导电性a.外加正向电压(正向偏置)P区N区内电场+

UR外电场外电场使空间电荷区变窄。IF限流电阻b.外加反向电压(反向偏置)P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;

反偏截止，电阻很大，电流近似为零。1.1.2二极管的结构与类型一、结构与符号正极负极构成PN结+引线+管壳=二极管点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底二、二极管的类型分类按材料分硅二极管、锗二极管按结构分点接触型、面接触型、平面型按功能分普通二极管、特殊二极管1.1.3二极管的伏安特性二极管的伏安特性方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27

C)：UT

=26mV一、二极管的伏安特性曲线OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)uD

UthiD急剧上升0uD

Uth

UD(on)

=(0.6

0.8)V硅管0.7V(0.1

0.3)V锗管0.2V反向特性IS-U(BR)反向击穿-U(BR)

uD

0iD=IS<0.1

A(硅)

几十

A

(锗)uD

<-U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)1、正向特性2、反向特性3、反向击穿特性反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(击穿电压

<6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压

>6V，正温度系数)击穿电压在

6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性4、硅管与锗管特性比较：604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/VUthIsiD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020UthIs死区电压和导通电压大，反向电流小，单向导电性和温度稳定性好死区电压和导通电压小，反向电流大，单向导电性和温度稳定性较差。二、温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

每升高10℃，反向电流约增大一倍T升高，UD(on)以

(2

2.5)mV/

C下降T过高，PN结会消失iDuD-U(BR)IFURMOIF—

最大整流电流(最大正向平均电流)1URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/22IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)3

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)41.1.4二极管的主要参数影响工作频率的原因—PN结的电容效应

结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。第1章半导体二极管及其基本应用1.2二极管的基本应用1.2.1二极管的大信号模型1.2.2二极管应用电路举例1.2.3二极管的直流电阻和交流电阻一、理想模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0二、恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)UD(on)*三、折线近似模型uDiDUD(on)

U

I斜率1/rDrDUD(on)1.2.1二极管的大信号模型UD(on)例1.2.1

硅二极管，R=2k

，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。UOVDDIORUOVDDIOR[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒压降UO=VDD–UD(on)=2

0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒压降UO=10

0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)UOVDDIORVDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒压降模型例1.2.2

试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15VUP>UN二极管导通等效为0.7V的恒压源UO=VDD1

UD(on)=15

0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UO

VDD2)/R=(14.3

12)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN一、低电压稳压电路1.2.2二极管应用电路举例二极管正向导通UO=2UD(on)≈1.4V二极管构成“门”电路如下图所示，V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值，分析电路功能。UAUBUOR3kW12VVDDV1V2BAY输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V二、与门电路UA、UB均为高电压时，Y端输出为高电压，只要有一个输入为低电压，则输出为低电压，实现了与功能。利用二极管的单向导电性将交流电变为直流电，称为整流。(按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOuiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4Otui

/V15OtuO/V15三、整流电路硅二极管构成的桥式整流电路如左图所示。在ui

=15sin

t(V)作用下输出uO的波形。二极管双向限幅电路如图所示，已知ui=2sin

t(V)，分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuOR－0.7V<ui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui

0.7VV2导通V１截止ui≤

0.7VV1导通V2截止uO=

0.7V思考题:V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？OtuO/V0.7Otui

/V2

0.7四、限幅电路小结理想二极管：正偏导通，电压降为零，相当于开关合上；反偏截止，电流为零，相当于开关断开。恒压降模型：正偏电压

UD(on)时导通，等效为恒压源UD(on)；否则截止，相当于二极管支路断开。一、直流电阻VDDuDR1.2V100

iD

/mA500.30.6uD/V1.20.9静态工作点二极管直流电阻RDiDQIDUD1.2.3二极管的直流电阻和交流电阻二、交流电阻rd=UT/ID=26mV/IDiD

/mA500.30.6uD/V1.20.9QIDUDΔuDΔiD第1章半导体二极管及其基本应用1.3特殊二极管及其基本应用1.3.1稳压二极管1.3.2发光二极管与光电二极管1.3.3变容二极管1.3.1稳压二极管一、稳压二极管的特性与主要参数符号iZ/mAuZ/VO

UZ

IZmin

IZmax

UZ

IZ

IZ特性主要参数稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。稳定电流IZ

工作电压等于UZ是所对应的电流值；越大稳压效果越好，小于Imin

时不稳压。最大工作电流IZM、最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM动态电阻rZ=

UZ/

IZ几

几十，rZ越小稳压效果越好。反向击穿工作条件一般，UZ<4V，CTV<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ>7V，CTV>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<UZ<7V，CTV很小。电压温度系数CTV

二、稳压二极管的稳压电路IR=IDZ+ILUO=UI

–IRR当UI波动时(RL不变)

当RL变化时(UI不变)UIUORRLILIRIDZR为限流电阻，RL为负载电阻反之亦然反之亦然

稳压二极管的稳压电路实例UIUORRLILIRIDZ47Ω2CW107UI=12~13.6VIL=0～56mAUO=9V电阻R选用1W金属膜电阻2CW107：UZ=8.5～9.5V，IZM=100mA，IZ=5mA例在稳压电路实例中：(1)当输入电压UI(min)=12V,负载电流IL(max)=56mA,求IDZ=?(2)当输入电压UI=13.6V，负载电流IL=0mA，求IDZ=?及R所承受的功耗。解：(1)(2)1.3.2发光二极管与光电二极管一、发光二极管LED一般工作电流几到几十mA，导通电压(1.73.5)V发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：不可见光：红外光点阵LED符号u/Vi

/mAO2特性七段LED普通LED，应用电路基本电路交流驱动电路脉冲信号驱动电路正向偏置工作条件二、光电二极管1．符号符号实物照片2.光电耦合器反向偏置工作条件1.3.3变容二极管利用PN结的电容特性制成的二极管称为变容二极管，反偏时它的反向电阻很大，近似开路，其容量随加于PN结两端反向电压的增加而减小。-uD

/VC

/pFOuD

符号特性第1章半导体二极管及其基本应用1.4二极管的使用知识及技能训练1.4.1二极管的使用知识1.4.2二极管综合应用实例1.4.1二极管的使用知识一、二极管的命名方法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字“2”表示器件有两个电极用字母表示器件的材料和极性用字母表示器件的类型用数字表示器件序号用字母表示规格号A|N型锗材料B|P型锗材料C|N型硅材料D|P型硅材料P―普通管K―开关管W―稳压管Z―整流管U―光电管国产示例：2CZ52B表示硅材料整流二极管国外二极管型号示例1N4001PN结的数目（二极管为1个PN结）EIA注册标志EIA（美国电子工业协会）登记顺序号二、二极管的选用与检测2.二极管识别与检测1.二极管的选用（见教材P16）（1）正负极性的识别（2）用模拟万用表检测判断在R1k挡进行测量，红表笔是(表内电源)负极，黑表笔是(表内电源)正极。测量时手不要接触引脚。一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。1k

0

0

0(3)

用数字式万用表检测判断红表笔是(表内电源)正极，黑表笔是(表内电源)负极。2k20k200k2M20M200

在

挡进行测量，当PN结完好且正偏时，显示值为PN结两端的正向压降(V)。反偏时，显示•

。1.4.2二极管综合应用实例过流保护熔丝电源变压器用以降压交流电源指示交流开关合上发红光桥式整流将交流电压变成脉动直流电压电容滤波滤除交流平滑输出电压直流电压输出指示有直流电压输出发绿光稳压电路稳定输出电压一、电路组成与工作原理交流输入电压U1=220V（有效值）变压器二次侧电压U2=10V（有效值）整流滤波输出电压平均值UI=1.2×10=12V稳压电路直流输出电压UO=5V桥式整流过程（a)u2正半周，VD1、V