1-3半导体二极管

1、构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) ) 符号：符号：A ( (anode) )C ( (cathode) ) 分类：分类： 按材料分按材料分 硅二极管硅二极管 锗二极管锗二极管 按结构分按结构分 点接触型点接触型 面接触型面接触型 平面型平面型 1.3 1.3 半导体二极管半导体二极管 1.3.1 1.3.1 半导体二极管的结构及分类半导体二极管的结构及分类 (1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结面积小， 结电容小，用于检波结电容小，用于检波 和变频等高频电路。和变频等高频电路。 点接触型点接触型 正极正极 引线引线 触丝触

2、丝 N型锗片型锗片 外壳外壳 负极负极 引线引线 (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用 于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。 负极引线负极引线 面接触型面接触型 N型锗型锗 PN结结 正极引线正极引线 铝合金铝合金 小球小球 底座底座 金锑金锑 合金合金 正极正极 引线引线 负极负极 引线引线 集成电路中平面型集成电路中平面型 p N P型支持衬底型支持衬底 (3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电往往用于集成电 路制造艺中。路制造艺中。PN 结面结面 积可大可小，用于高积可大可小，用于高 频整流和开关电路中。频整流和开关电路中。 1)二极管二极管

3、的伏安方程的伏安方程 )1e ( / SD D T Uu Ii 反向饱反向饱 和电流和电流 温度的温度的 电压当量电压当量 q kT UT 电子电量电子电量 玻尔兹曼玻尔兹曼 常数常数 当当 T = 300( (27 C) )：UT = 26 mV 1.3.2 1.3.2 二极管的特性二极管的特性 2) 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 O uD /V iD /mA 正向特性正向特性 Uth 死区死区 电压电压 iD = 0 Uth = 0.5 V 0.1 V ( (硅管硅管) ) ( (锗管锗管) ) U UthiD 急剧上升急剧上升 0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V

4、 硅管硅管 0.7 V (0.1 0.3) V 锗管锗管 0.2 V 反向特性反向特性 ISU (BR) 反向击穿反向击穿 U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) 几十几十 A ( (锗锗) ) U UN二极管导通二极管导通 等效为等效为0.7 V 的恒压源的恒压源 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) VDD1 V

5、DD2 UO RL R 1k 3k IO I1 I2 15V 12V PN 3. 二极管构成二极管构成“门门”电路，设电路，设V1、V2均为理想均为理想 二极管，当输入电压二极管，当输入电压UA、UB为低电压为低电压0V和高电压和高电压 5V的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压UO的值。的值。 UAUB UO R3k 12V VDD V1 V2 B A Y 输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出 电压电压UAUBV1V2 0V 0V 正偏正偏 导通导通 正偏正偏 导通导通 0V 0V5V 正偏正偏 导通导通 反偏反偏 截止截止 0V 5V0V 反偏反偏 截止截止 正偏正偏 导

6、通导通 0V 5V 5V 正偏正偏 导通导通 正偏正偏 导通导通 5V 4. 画出硅二极管构成的桥式整流电路在画出硅二极管构成的桥式整流电路在 ui =15 sin t (V)作用下输出作用下输出 uO的波形。的波形。(按理想模型按理想模型) RL V1 V2 V3 V4 ui B A uO Ot uO/ V 15 Ot ui / V 15 ui B A uO S1 S2 S3 S4 ui B A uO S1 S2 S3 S4 5. ui = 2 sin t (V), 分析二极管的限幅作用。分析二极管的限幅作用。 ui 较小，宜采用恒压降模型较小，宜采用恒压降模型 V1 V2 uiuO R u

7、i 0.7V V1、V2均截止均截止uO ui uO 0.7V ui 0.7V V2导通导通V 截止 截止 ui 0.7V V1导通导通V2截止截止 uO 0.7V 思考题思考题: V1、V2支路各串联恒压源，支路各串联恒压源， 输出波形如何？输出波形如何？ Ot uO/ V 0.7 Ot ui / V 2 0.7 VDD uD R uD= VDD iDR iD = f (uD) 1.2V 100 iD / mA 12 8 4 0 0.30.6 uD / V 1.20.9 M N 直流负载线直流负载线 斜率斜率 1/R 静态工作点静态工作点 也可取也可取 UQ = 0.7VIQ= (VDD U

8、Q) / R = 5 (mA) 二极管直流电阻二极管直流电阻 RD 140)k( 14. 05/7 . 0 Q Q D I U R 斜率斜率1/RD iD Q IQ UQ 1.3.5 1.3.5 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法 1）二极管电路的直流图解分析）二极管电路的直流图解分析 电路中含直流和小信号交流电源时电路中含直流和小信号交流电源时, ,二极管中二极管中含交、直流含交、直流成分成分 VDD ui uD R C iD C 隔直流隔直流 通交流通交流 当当 ui = 0 时时iD = IQ UQ= 0.7V (硅硅)，0.2V (锗锗) R UV I QDD Q 设设 ui =

9、 sin t iD / mA uD /V O VDD VDD/ R QIQ t O ui UQ iD / mA t O dQD iIi dQD uUu id 斜率斜率1/rD Q du di r D D d 1 )1( / SD D T Uu eIi T U U T U I e U I r T Q S d Q 1 rd = UT / IQ= 26 mV / IQ 当当 ui 幅度较小时，幅度较小时， 二极管伏安特性在二极管伏安特性在 Q点附近近似为直线点附近近似为直线 2）交流图解法）交流图解法 对于交流信号对于交流信号 电路可等效为电路可等效为 例例1.3.6 ui = 5sin t (mV

10、)，VDD= 4 V，R = 1 k ，求求 iD和和uD 解解 1. 静态分析静态分析 令令 ui = 0, 取取 UQ 0.7 V IQ= (VDD UQ) / R = 3.3 mA 2. 动态分析动态分析 rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 ( ) Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA),id = 0.625 sin t 3. 总电压、电流总电压、电流 dQD uUu dQD iIi = (0.7 + 0.005 sin t ) V = (3.3 + 0.625 sin t ) mA VDD ui uD R C iD ui udR id rd 3）微变

11、等效电路分析法）微变等效电路分析法 1.3.6 稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。 伏安特性伏安特性 iZ /mA uZ/V O UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ 应用电路应用电路 + UZ 电路符号电路符号 1 1）原理）原理利用利用PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性（雪崩击穿（雪崩击穿和和齐纳击穿）齐纳击穿） 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压 二极管的参数。 (1) 稳定电压VZ (2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的 反向工作电压。 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不 过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求

12、取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ 2 2）稳压二极管的参数）稳压二极管的参数 (3) 最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗 取决于PN结的面积和散热等 条件。反向工作时PN结的功 率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和 VZ可以决定IZmax。 (4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin 稳压管的最大稳定工作 电流取决于最大耗散功率， 即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应 VZmin。 若IZIZmin则不能稳 压。 %100 Z Z TV T U U C (5)稳定电压温度系数温度的变化将使温度的变化将使VZ

13、改变改变 温度的变化将使温度的变化将使V VZ Z改变，在稳压管中：改变，在稳压管中： 当当 V VZ Z 7 V7 V时，时，V VZ Z具有具有正温度系数正温度系数，反向击，反向击 穿是穿是雪崩击穿雪崩击穿。 当当 V VZ Z 4 V4 V时，时， V VZ Z具有具有负温度系数负温度系数，反向击，反向击 穿是穿是齐纳击穿齐纳击穿。 当当4 V4 V V VZ Z 7 V7 V时，稳压管可以获得接近时，稳压管可以获得接近零零 的温度系数的温度系数。这样的稳压二极管可以作为。这样的稳压二极管可以作为标准稳标准稳 压管压管使用。使用。 稳压二极管在工作时应反接，并 串入一只电阻。 电阻的作用

14、一是起限流作用，以 保护稳压管；其次是当输入电压或负 载电流变化时，通过该电阻上电压降 的变化，取出误差信号以调节稳压管 的工作电流，从而起到稳压作用。 3 3）几种稳压管的参数）几种稳压管的参数 参数 型号 稳定电压稳定电压 V 稳定电 流 mA 温度系数温度系数 %/度度 动态电阻动态电阻 最大稳定最大稳定 电流电流 mA 耗散功率耗散功率 W 2CW146 75100.0615330.25 2CW2013.5 1750.09550150.25 2CW7C6.1-6.5100.00510300.25 由表可以看出2CW7C的性能比较好。温度系数小。 其结构如下： 正向二极管正向二极管 稳压

15、管稳压管 温度补尝温度补尝 4 4）简单稳压电路的工作原理，）简单稳压电路的工作原理，R R为限流电阻。为限流电阻。 IR = IZ + IL UO= UI IR R 当当UI 波动时波动时(RL不变不变) O RZOL U IIUR I U O U Z I R I O U 反之亦然反之亦然 当当 RL 变化时（变化时（ UI 不变）不变） 反之亦然反之亦然 UIUO R RL ILIR IZ 负载电阻负载电阻 。要求 要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发 生生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。 5 5）稳压二极管的应用举例）稳压二极管的应用举例 uo iZD

16、Z R iL i ui RL 5mA 20mA, V,10 min max z zzW I IU 稳压管的技术参数稳压管的技术参数: k2 L R 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为流为Izmax 。 求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。 mA25 max L ZW z R U Ii 102521RUiRu. zWi 方程方程1 令输入电压降到下限令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电 流为流为Izmin 。 mA10 min L ZW z R U Ii 101080RUiRu. zWi 方程方

17、程2 uo iZDZ R iL i ui RL 联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得： k50V7518.R,.ui 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 1) 1) 半导体器件型号命名方法半导体器件型号命名方法 2) 2) 半导体二极管的识别与检测半导体二极管的识别与检测 (1) 目测判别极性目测判别极性 触丝触丝半导体片半导体片 (2) 用万用表检测二极管用万用表检测二极管 在在 R 1k 挡进行测量，挡进行测量， 红红表笔是表笔是(表内表内)负极负极 , 黑黑表笔是表笔是(表内表内)正极正极 测量时手不要接触引脚测量时手不要接触引脚 1. 用万用表指针式检测用万用表指针式检测 1

18、k 0 0 0 一般硅管正向电阻为几千欧一般硅管正向电阻为几千欧 锗管正向电阻为几百欧锗管正向电阻为几百欧 正反电阻相差不大为劣质管正反电阻相差不大为劣质管 正反电阻都是无穷大或零正反电阻都是无穷大或零 则二极管内部断路或短路则二极管内部断路或短路 二极管的运用基础运用基础, 就是二极管的单向单向 导电特性导电特性。 在应用电路中, 关键是判断二极关键是判断二极 管的导通或截止管的导通或截止。 u二极管导通时一般用电压源. V(硅管, 如是锗管用.V)代替, 或近似用 短路线代替。 u截止时, 一般将二极管断开, 即认为二极管 反向电阻为无穷大。 E R + U1 - + UO - UI UI

19、 E+0.7v E+0.7v UI E+0.7v UO = E 0 t Ui E 0 t UO 把输出幅度限在电平E+0.7v内 输出电压小于 E+0.7V 当输入信号电压在一定范围内变化时当输入信号电压在一定范围内变化时, 输出电压随输出电压随 输入电压相应变化；输入电压相应变化； 而而当输入电压超出该范围时当输入电压超出该范围时, 输出输出 电压保持不变电压保持不变, 这就是限幅电路。这就是限幅电路。 1) 1) 限幅电路限幅电路 限幅电路的作用是限幅电路的作用是限制输入限制输入/输出信号幅度的大小输出信号幅度的大小。 电路如下：电路如下： E R + U1 - + UO - UI UI

20、E+0.7v E +0.7v UI E+0.7v UO = E 0 t Ui E 0 t UO 把输出幅度限在电平把输出幅度限在电平E+0.7v内内 输出电压小于 E+0.7V 通常将输出电压通常将输出电压Uo开始不变的电压值称为开始不变的电压值称为限幅电平限幅电平,改变改变 值就可改变限幅电平。值就可改变限幅电平。 当输入电压高于限幅电平时当输入电压高于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅输出电压保持不变的限幅 称为称为上限幅上限幅； 当输入电压低于限幅电平时当输入电压低于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅输出电压保持不变的限幅 称为称为下限幅下限幅。 V D ui uo R E (1).

21、 并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路 V, 限幅电平为限幅电平为V。图（。图（a） u 时二极管导通 时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止二极管截止, uou 。 。 V D ui uo R E 并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路 Um, 则限幅电平为则限幅电平为。图（。图（b） u , 二极管截止二极管截止, uou； u, 二极管导通二极管导通, uo。 并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路 m, 则限幅电平为则限幅电平为-E, 。 图（图（c） u , 二极管导通二极管导通, uo ； u , 二极管截止二极管截止, uou。 V D ui uo R E t u

22、i O (b) E uo tO E t ui (a) Um uo O t U m O t ui O (c) E uo E O t V, 限幅电平为限幅电平为V。u 时二极管导通 时二极管导通, uo V； uiV, 二极管截止二极管截止, uou 。图（ 。图（a） Um, 则限幅电平为则限幅电平为。u , 二极管截止二极管截止, uou ； ；u , 二极管导通二极管导通, uo。图（图（b） m, 则限幅电平为则限幅电平为-E, 。 图（图（c） VD ui uo E R （2） 并联下限幅电路并联下限幅电路 将并联上限幅电路中的二极管将并联上限幅电路中的二极管反接反接，将构成，将构成并联

23、并联下限幅下限幅电路电路 V D ui uo R E 并联下限幅电路并联下限幅电路 并联上限幅电路并联上限幅电路 （3） 串联下限幅电路串联下限幅电路 电路如图所示。因为二极管电路如图所示。因为二极管VD与负载电阻与负载电阻RL串联，故称串联，故称 为串联限幅电路。为串联限幅电路。 a）电路图）电路图 b）波形图）波形图 图图 二极管串联下限幅电路二极管串联下限幅电路 时当 时，当 onio onionio Uuu UuUuu 0 uo的波形如图（的波形如图（b）所示。）所示。 设输入信号设输入信号ui为正弦波。则为正弦波。则 VD ui uo R (a)上限幅 E VD ui uo R (b

24、)下限幅 E （4） 串联限幅电路串联限幅电路 将两个二极管VD1和VD2反向并联在电路的输出端， 即可构成双向限幅电路，如图所示。 （5） 双向限幅电路双向限幅电路 a）电路图）电路图 b）波形图）波形图 图图 二极管双向限幅电路二极管双向限幅电路 设输入信号设输入信号ui为为 正弦波。则正弦波。则 时当 时，当 时，当 onionio oniono oniono UuUuu UuUu UuUu uo的波形如图（的波形如图（b）所示。）所示。 2 2）二极管门电路）二极管门电路 UA Uo VD 1 R UC C VD 2 VD 3 UB UC 图 1 - 23 二极管“与”门电路 1 1）

25、发光二极管）发光二极管 LED(Light Emitting Diode)LED(Light Emitting Diode) 1. 符号和特性符号和特性 工作条件：工作条件：正偏正偏 一般工作电流几十一般工作电流几十mA， 导通电压导通电压1 2V 2. 主要参数主要参数 电学参数：电学参数：I FM , U（ （BR） , IR 光学参数：光学参数：峰值波长峰值波长 P，亮度亮度 L，光通量光通量 发光类型：发光类型： 可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿 显示类型：显示类型： 普通普通LED ， 不可见光：不可见光：红外光红外光 ，点阵，点阵LED 符号符号 u /V i /mA O 2

26、特性特性 七段七段LED 材料和结构材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等：发光二极管由砷化镓、磷化镓等 半导体材料组成。由于半导体材料组成。由于电子空穴的复合电子空穴的复合产生发产生发 光能量。是一种光能量。是一种电变成光电变成光的能量转换器件。的能量转换器件。 电路中常用做指示或显示及光信息传送。电路中常用做指示或显示及光信息传送。 单个发光单个发光 二极管二极管 七段显示发光二极管七段显示发光二极管 发光二极管的主要特性 颜色 波长 （nm） 基本材料 正向电压 （10mA时）V 光强（10mA时，时， 张角张角4545） （mcd） 光功率 （WW） 红外900 砷化镓 1.31.5100500 红655 磷砷化镓 1.61.80.41 12 鲜红635 磷砷化镓 2.02.224 510 黄583 磷砷