第四讲(2012.2.3.5)

1、第三节 半导体二极管 1 、二极管的结构与类型 半导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、 面接触型和平面型三种。 常见二极管的结构、 外 形和电路符号如图1-11所示。 二极管的两极分别 叫做正极或阳极（P区）， 负极或阴极（N区）。 图1-11 半导体二极管的结构、 外形与电路符号 （a） 点接触型; （b） 面接触型; （c） 平面型; （d） 电路符号; （e） 常见二极管的外形 2、二极管的伏安特性曲线与近似模型 2.1 伏安特性曲线 二极管的伏安特性也就是PN结的伏安特性。 把 二极管的电流随外加偏置电压的变化规律， 称为二极 管的伏安特性， 以曲线的形式描绘出来， 就是伏安特

2、性曲线。 二极管的伏安特性曲线如图1-12所示， 下面 分三部分对二极管的伏安特性曲线进行分析。 图1-12 二极管的伏安特性 1） 正向特性外加正偏电压UF 当UF0时， IF0， PN结处于平衡状态， 即图1-12 中的坐标原点。 当UF开始增加时， 即正向特性的起始 部分。 由于此时UF较小， 外电场还不足以克服PN结 的内电场， 正向扩散电流仍几乎为零，这部分工作区 域称为死区，相应的电压成为门坎电压或死区电压。 只有当UF大于死区电压（锗管约0.1 V， 硅管约0.5 V） 后， 外加电场才足以克服内电场， 使扩散运动迅速增 加， 才开始产生大的正向电流IF。 2） 反向特性外加反向

3、偏压UR 当外加反向偏压时， 宏观电流是由少子组成的 反向漂移电流。 当反向电压UR在一定范围内变化时， 反向电流IR几乎不变， 所以又称为反向饱和电流IS。 当温度升高时， 少子数目增加， 所以IS增加。 室温下 一般硅管的反向饱和电流小于1 A， 锗管为几十到几 百微安， 如图中B段所示。 3） 反向击穿特性 反向击穿特性属于反向特性的特殊部分。 当UR继 续增大， 并超过某一特定电压值时， 反向电流将急剧 增大， 这种现象称之为击穿。 发生击穿时的UR叫击穿 电压UBR， 如图1-12中C段所示。 如果PN结击穿时的反向电流过大（比如没有串接 限流电阻等原因）， 使PN结的温度超过PN结

4、的允许 结温（硅PN结约为150200 ， 锗PN结约为75 100 ）时， PN结将因过热而损坏。 所谓理想，认为正偏二极管 的管压降为0 V，忽略模型就 是将二极管的单向导电特性理 想化其0.7 V或0.3 V的导通电 压，相当于短路导线； 而当 二极管处于反偏状态时，认为 二极管的等效电阻为无穷大， 反向电流为0， 如右图的伏安 特性曲线所示。应用条件：和 它串联的电压远大于二极管的 导通压降时，反向电流远小于 和它并联的电流。 利用理想 模型来分析，不会产生较大的 误差。 iD uD (c ) 12 U D(on) U U D(on) U U D(on) (d ) 12 U 0U 0

5、特性曲线 等效电路 2.2 二极管的近似模型 1）理想模型 恒压降模型的伏安特性曲线如右 图所示，其反偏模型还是理想的， 其特性是：只有当正向电压超过 导通电压时，二极管才导通，导 通后的管压降是一个恒定值，对 于硅管和锗管来说，分别取0.7 V和0.3 V的典型值。否则就不导 通，电流为零。这个模型比理想 模型更接近实际情况， 因此应 用比较广泛， 一般在二极管电 流大于1 mA时，恒压降模型的 近似精度还是相当高的。 UD(on) uD iD (c) 12 U D(on) U U D(on) U U D(on) (d) 12 U 0U 0 特性曲线 等效电路 2）恒压降模型 为了得到更好的

6、近 似效果，可用折线 来表示二极管的特 性曲线，其特性曲 线和等效电路如右 图所示。图中rD（on） =U/I为等效电 阻。 这种等效电路在信 号变化范围比较大 时，与实际特性的 近似程度更好。 u i 0CUD(on) BB0 A1 A2 (a)(b) 12 UD(on) rD(on) UUD(on)U UD(on) 特性曲线 等效电路 3）折线等效电路）折线等效电路 3 二极管的主要参数 为了正确选用及判断二极管的好坏， 必须对其主要 参数有所了解。 1） 最大整流电流IF 指二极管在一定温度下， 长期允许通过的最大正向 平均电流， 否则会使二极管因过热而损坏。 另外， 对于大功率二极管，

7、 必须加装散热装置。 2） 反向击穿电压UBR 管子反向击穿时的电压值称为反向击穿电压UBR。 一 般手册上给出的最高反向工作电压URM约为反向击穿电 压的一半， 以保证二极管正常工作的余量。 3）、最大反向工作电压URM URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，通常取反向击穿 电压UBR的一半作为URM 。超过此值不一定发生反向击穿，但长 期稳定工作的可靠性降低。 4）反向电流IR（反向饱和电流IS） 指在室温和规定的反向工作电压下（管子未击穿时）的反向电流。 这个值越小， 则管子的单向导电性就越好。 它随温度的增加而 按指数上升。 5）结电容与最高工作频率fM PN结加电压后， 其空间

8、电荷区会发生变化， 这种变化造成的电 容效应称为结电容。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能 变坏。因为交流信号可以由结电容效应而顺利通过二极管。 6 二极管的温度特性 半导体具有热敏性， 而电子电路又不可避免地要受到 外界温度及电路本身发热的影响。 所以， 温度变化容 易造成半导体器件工作不稳定， 研究温度对半导体器 件的影响是十分必要的。 一组实测二极管的正向特性（图1-14所示）， 对于同 一电流， 温度每升高1 ， 二极管的正向压降将减小 22.5 mV。 即二极管的正向特性曲线将随温度的升 高而左移。 温度对二极管的反向特性影响更大： 当温 度每升高10 ， 反向饱和电流IS将增

9、加一倍。 二极管 的反向击穿电压也受温度的影响。 图1-14 温度对二极管伏安特性的影响 4 二极管在电子技术中的应用 二极管在电子技术中广泛地应用于整流、 限幅、 钳位、 开 关、 稳压、 检波等方面， 大多是利用其正偏导通、 反偏截止的 特点。 1）整流应用 利用二极管的单向导电性可以把大小和方向都变化的正弦交 流电变为单向脉动的直流电， 如图1-15所示。一个简单的二极管 半波整流电路115(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一 正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)， uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， uo =0。其输入、 输出波形见图115(b

10、)。整流电路可用于信号检测，也是直流电 源的一个组成部分。 这种方法简单、 经济， 在日常生活及电子电路中经常采用。 根据这个原理， 还可以构成整流效果更好的单相全波、 单相桥 式等整流电路。 图1-15 二极管的整流应用 (a) 二极管整流电路; (b) 输入与输出波形 2）限幅应用 限幅电路是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路， 常用于波形变换和整形。常见的限幅电路是利用二极管的单向导 电性， 将输入电压限定在要求的范围之内。 图1-16（a）所示的双向限幅电路中， 交流输入电压ui和直 流电压E1都对二极管VD1起作用； 相应的VD2也同时受ui和E2的控 制。 在假设VD1、 V

11、D2为理想二极管时， 有如下限幅过程发生： 当输入电压ui3 V时， VD1导通， VD2截止， uo3 V； 当ui-3 V时， VD2导通， VD1截止， uo3 V； 当ui在3 V与+3 V之间 时， VD1和VD2均截止， 因此uoui， 输出波形如图1-16（b）所 示。 图1-16 二极管的限幅应用 （a） 双向限幅电路; （b） 输入与输出波形 3）稳压应用 有一种二极管， 专门用来实现稳定电压输出，称 为稳压二极管。稳压二极管是利用PN结反向击穿后具 有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路 之外，主要用于稳压电路。 一、稳压二极管的特性 稳压二极管的电路符号及伏安特性

12、曲线如图 117所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极 管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭， 即电流在很大范围内变化时(IZminIIZm)，其两端电压 UZ几乎不变。 图1-17 稳压二极管的伏安特性曲线与电路符号 （a） 伏安特性曲线; （b） 电路符号 二 稳压管的主要参数 1） 稳定电压UZ UZ就是稳压管的反向击穿电压， 它的大小取决于制 造时的掺杂浓度。 2） 最小稳定电流IZmin 稳压管正常工作时的最小电流值定义为最小稳定电 流， 记为IZmin， 一般在几毫安以上。 稳压管正常工作 时的电流应大于IZmin， 以保证稳压效果。 3） 最大稳定电流IZmax和最

13、大耗散功率PZM 稳压管允许流过的最大电流和最大功耗叫做最大稳定 电流IZmax和最大耗散功率PZM。 通过管子的电流太大， 会使管子内部的功耗增大， 结温上升而烧坏管子， 所 以稳压管正常工作时的电流和功耗不应超过这两个极 限参数。 一般有 PZM=UZIZmax （1-5） 4） 动态电阻rz 稳压管反向击穿时的动态电阻， 定义为电流变化量 IZ引起的稳定电压变化量UZ。 2 I U r Z z （1-6） 动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参 数， rz越小， 反向击穿区曲线越陡， 稳压效果就越好。 5） 稳定电压UZ的温度系数K 稳定电压UZ的温度系数K定义为温度变化1 引起

14、的稳定电压UZ的相对变化量， 即 K是反映稳定电压值受温度影响的参数，用单位 温度变化引起稳压值的相对变化量表示。通常， UZ 7V时具有正温度系数(因雪崩击穿具有正温系数)； 而UZ在5V到7V之间时，温度系数可达最小。 )/(% / C T UU K ZZ （1-7） 三、稳压二极管稳压电路 稳压二极管稳压电路如图118所示。图中Ui 为有波动的输入电压，并满足Ui UZ。R为限流电阻， RL为负载。 V Z Ui Uo R RL ILIZ 图图118 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路 下面来说明限流电阻R的选择方法。由图118可知， 当Ui, RL变化时，IZ应始终满足Izmin I

15、ZRmax的结果，则说明在给定条件下，已超 出了稳压管的稳压工作范围。这时，需要改变使用条 件或重新选择大的电流容量的稳压二极管，以满足Rmin VR时，二极管导通，vo=vi。 Vi 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。 ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。 ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。 V2ViV1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。 例9：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。 解： VI25V ，D1导通，D2截止。 3 25 3 2 IO VV VI137.5V，D1、D2 均导通。 VO=25V 25 300 200)25( I O V V VO=10

16、0V VI 25V 75V 100V 25V50V100V125V VO 50V 75V150V0 137.5 例10：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。 当VI0时 D1截止 D2导通 IO VV 2 1 0 VI VO - - 5V +5V +5V - - 5V +2.5V - -2.5V 例11：已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为 小信号交流信号源。 试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。 1.求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交 。 C R 1K E 1.5V + VD + vi(t) mA K V I D DQ 9 . 0