第三讲-半导体二极管

1、o主要内容 n二极管的结构 n二极管的分类 n二极管的特性 n二极管的主要参数 n二极管的测试 n二极管电路的分析 n特殊二极管 o目的要求 n了解二极管的结构及分类 n掌握二极管的特性及其应用 n理解二极管的主要参数 n了解特殊二极管的应用，掌握稳压二极管的工作原理 o重点：二极管的外特性及其应用 将PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P 区和N 区分别焊出两 根引线作阳、阴极。 一、二极管的结构 符号 一、二极管的结构 一、二极管的结构 发光二极管的舞台效果 二、二极管的类型 o按材料分 n硅二极管 n锗二极管 o按结构分 n点接触型二极管-不允许通过较大的电流，可在高频下工作 n面

2、接触型二极管-结面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作 o按用途分（特殊二极管） n整流二极管 n稳压二极管 n检波二极管 n开关二极管 n发光二极管 n变容二极管 n 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分 有点接触型、面接触型和平面型三大类。 (1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电 容小，用于检波和变频等 高频电路。 (a)点接触型 二极管的结构示意图 二、二极管的类型 (3) 平面型二极管 往往用于集成电路制造艺 中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。 阴极阴极 引线引线

3、阳极阳极 引线引线 P N P 型支持衬底型支持衬底 二、二极管的类型 三、二极管的特性 o伏安特性 n正向伏安特性 n反向伏安特性 o击穿特性 o温度特性 o电容特性 1、伏安特性 流过二极管的电流与加在二极管两端的电压的关系曲线流过二极管的电流与加在二极管两端的电压的关系曲线 I = f (U )就是二极管的伏安特性。就是二极管的伏安特性。 60 40 20 0.002 0.004 00.5 1.0 2550 I / mA U / V 正向特性 硅管的伏安特性 击穿电压 反向特性 50 I / mA U / V 0.20.4 25 5 10 15 0.01 0.02 0 锗管的伏安特性 死

4、区电压 正向特性 o当正向电压较小时，正向电流很小，几乎为零。 n死区 n死区电压（门坎电压） o死区电压与材料和温度有关 o硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右 o当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大 n硅管导通电压0.7V n锗管导通电压0.2V 死区 60 40 20 00.4 0.8 I / mA U / V 60 40 20 00.4 0.8 I / mA U / V 材料开启电压导通电压反向饱和电流 硅Si0.5V0.50.8V1A以下 锗Ge0.1V0.10.3V几十A 反向特性 o二极管加反向电压，反向电流很小。 n当电压超过零点几伏后，反向

5、电流不随电压增加而增大，即饱和； o击穿反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大。 n反向击穿电压 n电击穿可逆击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后， 还可恢复正常。 n热击穿不可逆 0.02 0.04 02550 I / mA U / V 反向饱 和电流 击穿 电压 U(BR) 伏安特性表达式(二极管方程) )1e ( S T U U II 其中，IS 反向饱和电流 UT 温度的电压当量；在常温(300 K)下，UT 26 mV 二极管加反向电压，即 U UT ，则 二极管加正向电压，即 U 0，且 U UT ，则 1e T U U T U U IIe S S II

6、电流I 与电压U 基本成指数关系。 伏安特性总结 o二极管具有单向导电性 n加正向电压时，导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合 n加反向电压时，截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开 n应用：整流二极管 检波二极管 开关二极管 o二极管是非线性器件 50 I / mA U / V 0.20.4 25 5 10 15 0.01 0.02 0 2、击穿特性 o击穿-反向电压大到一定数值时，反向电流会突然快速增大。 n电击穿可逆 n热击穿不可逆 o应用：稳压管 0.02 0.04 02550 I / mA U / V IZ VDZ R UO IO + IR UI + RL o温度升高时，反向饱和电

7、流增大，正向电流也增大。温度升高10， IS 约增加1倍。 3、温度特性 o应用:温度补偿二极管 o 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，因容抗增大，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。 4、电容特性 o结电容Cj Cj=CD+CB o应用：变容二极管 o最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 o最高反向工作电压 UR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电 压 UBR 的一半定义为 UR 。 o反向电流 IR o最高工作频率fM fM 值主要

8、 决定于PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极 管允许的最高工作频率愈低。 四、二极管的主要参数 iD uD U (BR) I F URM O 小结 u二极管的符号： u二极管的伏安特性 u二极管的实物 ：如何用万用表的“ ”档来辨别一只 二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏？ 思考题 k 阴极阴极 阳极阳极 a 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA 死区死区 Vth VBR 五、半导体二极管的测试 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 2AP9 用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型

9、，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N 型Si， D为P型Si。 2代表二极管，3代表三极管。 一、 半导体二极管参数选录(参见教材) 二、 半导体二极管的识别与检测 1. 目测判别极性 触丝半导体片 五、半导体二极管的测试 1. 目测判别极性 2. 万能表判别极性 在 R 1 k 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。 (1)用指针式万用表检测 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

10、0 0 0 五、半导体二极管的测试 (2) 用数字式万用表检测 红表笔是(表内电源)正极， 黑表笔是(表内电源)负极。 2k20k200k 2 M 20M 200 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 。 五、半导体二极管的测试 六、二极管电路的分析 o图解分析法 o简化模型分析法 n二极管的模型 o理想模型 （） o恒压降模型（） o折线模型 o小信号模型 n简化模型分析法 + iD vD - R 非线性 线性 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/

11、 A iD/mA 死死区区 Vth VBR 硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性 例 电路如图所示，已知二极管的V-I 特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极 管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。 1、图解分析法 解：由电路的KVL方程，可得 DDDD RiV v DDDD 11 V RR i v 即 是一条斜率为-1/R 的直线，称为负载线 Q 的坐标值（VD，ID）即为所求，Q点称为电路的工作点。 VDD VDD / R VD IDQ 负载线 2、二极管的简化模型 （1）理想模型 （a）V-I 特性 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏

12、置时的电路模型 正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = （2）恒压降模型 （a）V-I 特性 （b）电路模型 2、二极管的简化模型 uD iD UD(on) uD = UD(on) 0.7 V (Si) 0.2 V (Ge) （3）折线模型 （a）V-I 特性 （b）电路模型 2、二极管的简化模型 uD iD UD(on) U I I U r D 斜率斜率1/ rD rD1 UD(on) （4）小信号模型 过过Q点的切线点的切线可以等效成可以等效成 一个微变电阻一个微变电阻 D D d i r v 即即 )1e ( / SD D T V Ii v 根据根据 得得Q点处

13、的微变电导点处的微变电导 Q i g D D d d d v Q V T T V I / S D ev T V ID d d 1 g r 则则 D I VT 常温下（常温下（T T=300K=300K） )mA( )mV(26 DD d II V r T Q T V iD （a）V-I 特性特性 （b）电路模型）电路模型 2、二极管的简化模型 小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。 该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vDVT 。 判断电路中二极管工作状态的方法 1. 断开二极管，分析电路断开点的开路电压。如果该电压能使二极 管正偏，且大于二极管的死区电压，二极管导通；否则二极管截止

14、。 2. 如果电路中有两个二极管，利用方法1分别判断各个二极管两端 的开路电压，开路电压高的二极管优先导通；当此二极管导通后， 再根据电路的约束条件，判断另一个二极管的工作状态。 二极管导通的判定 （1）开关电路 电路如图所示，二极管为理想二极管， 求A、O 间的电压值 解： 判断二极管导通情况 则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。 阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。 导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。 所以，A、O间的电压值为-6V。 3、简化模型分析法举例 0V -6V -12V 断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 计算 设 V1、V2 均为理

15、想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电 压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。 UAUB UO R3 k 12 V 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 0 V0 V 正偏正偏 导通导通 正偏正偏 导通导通 0 V 0 V5 V 正偏正偏 导通导通 反偏反偏 截止截止 0 V 5 V0 V 反偏反偏 截止截止 正偏正偏 导通导通 0 V 5 V5 V 正偏正偏 导通导通 正偏正偏 导通导通 5 V 二极管构成“门”电路 3、简化模型分析法举例 判断电路中二极管工作状态的方法 1. 断开二极管，分

16、析电路断开点的开路电压。如果该电压能使二极 管正偏，且大于二极管的死区电压，二极管导通；否则二极管截止。 2. 如果电路中有两个二极管，利用方法1分别判断各个二极管两端 的开路电压，开路电压高的二极管优先导通；当此二极管导通后， 再根据电路的约束条件，判断另一个二极管的工作状态。 二极管导通的判定 3、简化模型分析法举例 （2）整流电路 （a）电路图 （b）vs的波形 （c）vo的波形 （3）限幅电路 电路如图(a)，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅管。分别用理想模型 和恒压降模型求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压vO的波形。 3、简化模型分析法举例 理想模型

17、 恒压降模型 怎样双向限幅？ ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。 ui 较小，宜采用恒压降模型 V1 V2 uiuO R ui 0.7 V V1、V2 均截止uO = ui uO = 0.7 V ui 0.7 V V2 导通 V截止 ui 0.7 V V1 导通 V2 截止uO = 0.7 V Ot uO/ V 0.7 Ot ui / V 2 0.7 VDD 大， 采用理想模型 VDD 小， 采用恒压降模型 3、简化模型分析法举例 （4）静态工作情况分析 V 0 DV mA 1 R V I DD D 理想模型 硅管 VDD=10V R=10k mA 93. 0 R VV

18、I DDD D 恒压降模型 V 7 . 0 D V （a）简单二极管电路 （b）习惯画法 3、简化模型分析法举例 六、 二极管电路分析方法小结 1. 理想模型 2. 恒压降模型 u简化模型 u 判断电路中二极管工作状态的方法 VDD 大， 采用理想模型 VDD 小， 采用恒压降模型 1. 假定二极管断开，判定开路电压 2. 正偏导通，反偏截止 u 二极管电路的应用 开关、整流、限幅 1. 理想模型 u简化模型 七、 特殊二极管 稳压二极管 变容二极管 光电子器件 1. 光电二极管 2. 发光二极管 3. 激光二极管 稳压管电路举例 1. 稳压二极管 1. 符号及稳压特性 符号伏安特性 利用二极

19、管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作 在反向电击穿状态。 实物 o符号 o伏安特性曲线 o稳压原理：在反向击穿区，反向电流有一个比较大的变化时， 管子两端相应的电压变化量却很小。 I/mA U/V O + 正向正向 + 反向反向 U I o工作区：反向击穿区 1. 稳压二极管 (1) 稳定电压VZ (3) 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。 rZ = VZ / IZ (4)额定功率 PZ (5)稳定电压温度系数 VZ o 稳压二极管主要参数 （2）稳定电流 IZ 越大稳压效果越好 1. 稳压二极管 o稳压管电路 o使用注意事项 n外加电源的正极接管

20、子的N 区，电源的负极接P 区，保证管子 工作在反向击穿区； n稳压管应与负载电阻 RL 并联； n必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热 而烧毁管子。 VDZ R UO IO + IZ IR UI + RL 1. 稳压二极管 分析简单稳压电路的工作原理，R 为限流电阻。 IR = IZ + IL UO= UI IR R 当 UI 波动时(RL不变) O RZOL U IIUR I U O U Z I R I O U 反之亦然 当 RL 变化时(UI 不变) 反之亦然 UIUO R RL ILIR IZ 2、稳压管电路举例 o已知稳压管的稳定电压UZ3V，R的取值合适，VI

21、 的波形如右图所示 ，试画出Vo波形 2、稳压管电路举例 + R - IR + - RL VO VI IZ DZ 符号 工作条件：反向偏置 特性 特点： * 反偏时，势垒电容随外加电 压升高而降低，可作为压控 可变电容。 * 电容量较小，几十几百pF * 最大与最小电容比为 5 : 1。 用途： * 高频电路中自动调谐、调频、 调相等。 3、变容二极管 一、光电(光敏)二极管 1符号和特性 U I O 暗电流 E = 200 lx E = 400 lx 工作条件：反向偏置 2. 结构和工作原理 入射光 玻璃透镜 管芯 管壳 电极引线 无光照时，暗电流小，反向电 阻高达几十兆欧。 光照时，产生光生载流子从而 形成光电流，光电流随光照强 弱变化，反向电阻降为几千欧 几十千欧 。 4、光电子器件 二、发光二极管 LED (Light Emitting Diode) 1. 符号和特性 工作条件：正向偏置 一般工作电流几十 mA， 导通电压 (1 2) V 2. 主要参数 电学参数：I FM ，U(BR) ，IR 光学参数：峰值波长