半导体二极管及其电路

1、半导体二极管及其电路 第第2 2章章 半导体二极管及其电路半导体二极管及其电路 本章内容本章内容 半导体二极管及其电路 1 .1 .半导体二极管的结构半导体二极管的结构 2.2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3 .3 .二极管的参数二极管的参数 本节要掌握以下五个内容本节要掌握以下五个内容 半导体二极管及其电路 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极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、面接触型和平管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平 面型三大类。面型三大类。 (1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电结面积小，结电 容小，用于检波和变频

2、等容小，用于检波和变频等 高频电路。高频电路。 (a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 半导体二极管及其电路 (3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造 艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。 (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。 (b)(b)面接触型面接触型 (c)(c)平面型平面型 阴极阴极 引线引线 阳极阳极 引线引线 P N P 型支持衬底型支持衬底 (4) 二极管的代表符号二极管的代表

3、符号 (d) 代表符号代表符号 k 阴极阴极阳极阳极 a 半导体二极管及其电路 半导体二极管图片 半导体二极管及其电路 半导体二极管及其电路 半导体二极管及其电路 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 硅管硅管 00. 8 反向特性反向特性 正向特性正向特性 击击 穿穿 特特 性性 mA/ D i V/ D u 0 0. 8 反向特性反向特性 锗管锗管 正向特性正向特性 mA/ D i V/ D u uD iD )( DD ufi 半导体二极管及其电路 (1) 近似呈现为指数曲线，即近似呈现为指数曲线，即 T U u Ii D e SD (2) 有死区有死区（iD0的区域的区域) )

4、1正向特性正向特性 死区电压约为死区电压约为 硅管硅管0.5 V 锗管锗管0.1 V O iD 正向特性正向特性 击穿电压击穿电压 死区死区 电压电压 U(BR) 反向特性反向特性 uD 半导体二极管及其电路 (3) 导通后（即导通后（即uD大于死区电压后）大于死区电压后） TT U u U i U I du di TD S D D 1 e D 管压降管压降uD 约为约为 硅管硅管0.60 .8 V 锗管锗管0.20.3 V 通常近似取通常近似取uD 硅管硅管0.7 V 锗管锗管0.2 V O iD 正向特性正向特性 击穿电压击穿电压 死区死区 电压电压 U(BR) 反向特性反向特性 uD 即

5、即 uD略有升高，略有升高， iD急剧急剧增大。增大。 半导体二极管及其电路 半导体二极管及其电路 2反向特性反向特性 IS= 硅管硅管微安微安 锗管几十到几百锗管几十到几百微安微安 O iD 正向特性正向特性 击穿电压击穿电压 死区死区 电压电压 U(BR) 反向特性反向特性 uD (BR)D Uu (1) 当当 SD Ii 时，时，。 半导体二极管及其电路 (2) 当当 (BR)D Uu 时，时， 反向电流急剧增大，反向电流急剧增大， 击穿的类型击穿的类型 根据击穿可逆性分为根据击穿可逆性分为 电击穿电击穿 热击穿热击穿 二极管发生反向击穿。二极管发生反向击穿。 O iD 正向特性正向特性

6、 击穿电压击穿电压 死区死区 电压电压 U(BR) 反向特性反向特性 uD 半导体二极管及其电路 降低反向电压，二极管仍能正常工作。降低反向电压，二极管仍能正常工作。 PN结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。 二极管发生反向击穿后，如果二极管发生反向击穿后，如果 a. 功耗功耗PD( = |UDID| )不大不大 b. PN结的温度小于允许的最高结温结的温度小于允许的最高结温 硅管硅管150200oC 锗管锗管75100oC 热击穿热击穿 电击穿电击穿 半导体二极管及其电路 ) 1( T V V s eII 温度每升高温度每升高10度，反度，反 相饱和电流增加相

7、饱和电流增加1倍倍 s T s T I I V I I VVlg.ln32 温度对伏安特性的影响温度对伏安特性的影响 半导体二极管及其电路 温度对半导体二极管特性的影响温度对半导体二极管特性的影响 1. 当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。 uD/ T = （22.5）mV/ C 2. 温度升高温度升高，反向饱和电流增大。反向饱和电流增大。 )(2)( 0S 10 S 0 TITI TT 即即 温度每升高温度每升高1C，管压降降低，管压降降低（22.5）mV。 即即 平均温度每升高平均温度每升高10C，反向饱和电流增大一倍。，反向饱和电流增大一倍。

8、不讲不讲 半导体二极管及其电路 半导体二极管的主要电参数半导体二极管的主要电参数 1. 额定整流电流额定整流电流IF 2. 反向击穿电压反向击穿电压U(BR) 管子长期运行所允许通管子长期运行所允许通 过的电流平均值。过的电流平均值。 二极管能承受的最高反二极管能承受的最高反 向电压。向电压。 O iD 正向特性正向特性 击穿电压击穿电压 死区死区 电压电压 U(BR) 反向特性反向特性 uD 半导体二极管及其电路 4. 反向电流反向电流IR 3. 最高允许反向工作电压最高允许反向工作电压UR 为了确保管子安全工作，所为了确保管子安全工作，所 允许的最高反向电压。允许的最高反向电压。 室温下加

9、上规定的反向电室温下加上规定的反向电 压时测得的电流。压时测得的电流。 O iD 正向特性正向特性 击穿电压击穿电压 死区死区 电压电压 U(BR) 反向特性反向特性 uD UR=（1/22/3）U(BR) 反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流 越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流 越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管 大几十到几百倍。大几十到几百倍。 半导体二极管及其电路 M M 最高工作频率是二极管工作的上限截止

10、频率，超过最高工作频率是二极管工作的上限截止频率，超过 此值时，由于结电容的作用，二极管不能很好的体现单此值时，由于结电容的作用，二极管不能很好的体现单 向导电性。向导电性。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。保护等等。 半导体二极管及其电路 00 0 D DDD v v v vo v 压降为二极管开路时的外加 二极管的压降 O/V 斜斜率率 D/V 半导体二极管及其电路 onDon DonDD VvV v Vv vo v 压降为二极管开路时的

11、外加 二极管的压降 O/V Von 斜斜率率 I/V Von V 70 on . 硅 V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值） V 20 on . 锗 V（锗（锗 二极管典型值）二极管典型值） 导通压降： 半导体二极管及其电路 3 3折线模型折线模型: : 折线模型认为二极管的管压降不是恒折线模型认为二极管的管压降不是恒 定的，而是随着通过二极管电流的增加而定的，而是随着通过二极管电流的增加而 增加，所以在模型中用一个电池和一个电增加，所以在模型中用一个电池和一个电 阻阻r rD D来作进一步的近似。其中电池的电压来作进一步的近似。其中电池的电压 为二极管的门坎电压为二极管的门坎电压V Vth

12、th或者说导通电压 或者说导通电压 V VD(on) D(on)。 。r rD D的值，可以这样来确定，如当二的值，可以这样来确定，如当二 极管的导通电流为极管的导通电流为1mA1mA时，管压降为时，管压降为0 07V7V 则：则： r rD D= =（0 07 V-07 V-05 V5 V）/ /（1mA1mA）=200 =200 半导体二极管及其电路 4. 4. 小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范二极管工作在正向特性的某一小范 围内时，其正向特性可以等效成一个微围内时，其正向特性可以等效成一个微 变电阻。变电阻。 D D d i v r 即即)1( / SD D T Vv

13、 eIi根据根据 得得Q点处的微变电导点处的微变电导 Q dv di g D D d Q Vv T T e V I / S D T V ID d d 1 g r 则则 D I VT 常温下（常温下（T=300K） )mA( )mV(26 DD d II V r T 半导体二极管及其电路 四种模型比较：四种模型比较： 1 1、理想模型误差大、理想模型误差大 2 2、折线模型误差最小、折线模型误差最小 4 4、小信号模型只适用于二极管处于正向导通、小信号模型只适用于二极管处于正向导通 且信号变化幅度较小的情况且信号变化幅度较小的情况 3 3、恒压降模型应用最普遍、恒压降模型应用最普遍 半导体二极管

14、及其电路 RL uiuo ui uo t t 1 1、二极管半波整流：、二极管半波整流： 半导体二极管及其电路 2、 限幅电路限幅电路 工作原理工作原理 a. 当当ui i较小使二极管较小使二极管D1 、D2截止时截止时 i i i i u RR R u 电路正常放大电路正常放大 Fi Uu b. 当当ui i使二极管使二极管D1 或或D2导通时导通时 R D2ARi + + i u D1 + i u 例题例题1 1 不讲不讲 半导体二极管及其电路 ui t O 输入电压波形输入电压波形 R D2ARi + + i u D1 + i u 半导体二极管及其电路 输入端电压波形输入端电压波形 ui

15、 t O i u 2UF R D2ARi + + i u D1 + i u 半导体二极管及其电路 V Vi i V VR R时，二极管导通，时，二极管导通，v vo o=v=vi i。 V Vi i V VR R时，二极管截止，时，二极管截止， v vo o=V=VR R。 例例2 2：理想二极管电路中：理想二极管电路中 v vi i= Vm sint V= Vm sint V， 求输出波形求输出波形v v0 0。 解： 半导体二极管及其电路 利用二极管的利用二极管的 单向导电性可单向导电性可 作为电子开关作为电子开关 vI1 vI2 二极管工作状态 D1 D2 v0 0V 0V导通 导通 导

16、通 截止 截止 导通 截止 截止 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0V 0V 0V 5V 例例1111：求：求v vI1 I1和 和v vI2 I2 不同值组合时的不同值组合时的 v v0 0值（二极管为值（二极管为 理想模型）。理想模型）。 解：解： 半导体二极管及其电路 4、在检波电路中的应用（无线通信）在检波电路中的应用（无线通信） 用音频信号去控制用音频信号去控制 高频信号的幅值高频信号的幅值 音频信号音频信号 高频信号高频信号 载波信号载波信号 调制的过程调制的过程 O t u u1 t O u2 O t 音频放大器音频放大器 话筒话筒 高频振荡器高频振荡器 调调 制 制 器 器

17、 发发 射 射 器 器 u2 u1 u 不讲不讲 半导体二极管及其电路 半导体二极管及其电路 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性 特点特点 a. 正向特性与普通管类似正向特性与普通管类似 稳压管稳压管通常工作于反通常工作于反 向电击穿状态向电击穿状态 伏安特性伏安特性 + + iZ uZ uZ Q B A O UZ iZ IZ UZ IZ 符号符号 b. 反向击穿特性很陡反向击穿特性很陡 半导体二极管及其电路 (1) (1) 稳定电压稳定电压V VZ Z (2) (2) 动态电阻动态电阻r rZ Z 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作 电流电流I IZ Z

18、下，所对应的反向工作电下，所对应的反向工作电 压。压。 r rZ Z = = V VZ Z / / I IZ Z (3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 P PZM ZM (4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 I IZmax Zmax 和最小稳定工作电流 和最小稳定工作电流 I IZmin Zmin 稳压条件：稳压条件：I IZmin Zmin I IZ Z 6V管子出现雪崩击穿，管子出现雪崩击穿，U 为正；为正； UZ 4V 出现齐纳击穿，出现齐纳击穿，U 为负为负; ; 4V UZ 6V，U可能为正，也可能为负。可能为正，也可能为负。 U （5）温度系数）温度系数 定义：定义： 半导

19、体二极管及其电路 硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路 半导体二极管及其电路 不讲不讲 半导体二极管及其电路 半导体二极管及其电路 不讲不讲 半导体二极管及其电路 半导体二极管及其电路 负载电阻负载电阻 。 要求当输入电压由正常值发生要求当输入电压由正常值发生 20%20% 波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。 稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例 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I Iz zmax

20、max 。 。 求：电阻求：电阻R R和输入电压和输入电压 u ui i 的正常值。 的正常值。 mA25 max L ZW z R U Ii 102521RUiRu. zWi 方程方程1 1 半导体二极管及其电路 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 半导体二极管及其电路 一、一、 发光二极管发光二极管 有正向电流流过有正向电

21、流流过 时，发出一定波长时，发出一定波长 范围的光，目前的范围的光，目前的 发光管可以发出从发光管可以发出从 红外到可见波段的红外到可见波段的 光，它的电特性与光，它的电特性与 一般二极管类似。一般二极管类似。 半导体二极管及其电路 二、二、 光电二极管光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。 I U 照度增加照度增加 半导体二极管及其电路 三、变容二极管三、变容二极管(varicap)(varicap) 利用二极管的结电容以及该电容大小与利用二极管的结电容以及该电容大小与 外接电压有关的特点制成外接电压有关的特点制成. . 四、肖特基二极管四、肖特基二极管

22、(SBD)(SBD) 金属与金属与N N型半导体接触形成势垒，不存在少数载型半导体接触形成势垒，不存在少数载 流子在流子在PNPN结附近积累和消散过程，电容效应非常适合结附近积累和消散过程，电容效应非常适合 高频。高频。 半导体二极管及其电路 电阻量程电阻量程 1 10 100 1k 测得电阻值测得电阻值 31 210 1.1 k 11.5 k 例例1 用万用表测量二极管的正向直流电阻用万用表测量二极管的正向直流电阻RF，选用的，选用的 量程不同，测得的电阻值相差很大。现用量程不同，测得的电阻值相差很大。现用MF30 型万型万 用表测量某二极管的正向电阻，结果如下表，试分析用表测量某二极管的正

23、向电阻，结果如下表，试分析 所得阻值不同的原因。所得阻值不同的原因。 例题例题 半导体二极管及其电路 半导体二极管及其电路 半导体二极管及其电路 例例2:设二极管设二极管D1、D2为理想二极管，判断它们在图为理想二极管，判断它们在图1中是导通中是导通 还是截止？并求还是截止？并求 Uo 解：假设解：假设D1、D2断开断开 D1的阳极为的阳极为0V，阴极为，阴极为-9V; D2的阳极为的阳极为-12V，阴极为，阴极为-9V; D1导通，导通，D2截止，输出电压截止，输出电压=0 半导体二极管及其电路 例例3：在图：在图a和和b所示的电路中，假设所示的电路中，假设D是理想的，其输入信号为是理想的，

24、其输入信号为 Ui=10sint(v)。分别画出它们的输出波形和传输特性。分别画出它们的输出波形和传输特性Uo=f(ui)。 解：假设解：假设D断开，图断开，图a，D的阳极的阳极5V，当，当Ui5V时，时，D截止，截止，Uo=5V。 图图b，D的阴极的阴极5V，Ui5V时，时，D导通，导通， Uo=5V；Ui5V时，时，D截止，截止，Uo=Ui。 单向限幅单向限幅 思考？如果用恒压降模型，思考？如果用恒压降模型，vo波形如何？波形如何？ 10 5 -10 半导体二极管及其电路 例例4：双向限幅电路：如下图，设：双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sint , 利用恒压降模型，利用恒压降模型， 画出输出波形。画出输出波形。 R