半导体二极管及其应用

1、图1.0.1 手电筒外观 图1.0.2 手电筒内部电路板 1.1 1.1 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管是最简单的电子器件，但应用十分广泛。其主要用于整流、限幅、开关等。 1.1.1 半导体与半导体与PN结、二极管基础知识结、二极管基础知识 1半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和砷化镓（GaAs）等。 1.1 半导体二极管半导体二极管2本征半导体： 纯净的不含任何杂质、晶体结构排列整齐的半导体。 一、半导体与本征半导体一、半导体与本征半导体 1.热敏特性热敏特性 1.1 半导体二极管半导体二极管 它具有热敏特性，当温度升高，

2、半导体材料的导电能力显著增强。这是由于价电子从热能中获得能量，挣脱共价键的束缚而成为（Free electron）。 二、半导体特性二、半导体特性 图1.1.1 共价键结构与空穴产生示意图 1.1 半导体二极管半导体二极管 这时，在共价键结构中留下相同数量的空位，每个原子失去价电子后，变成带正电荷的离子，从等效观点来看，每个空位相当于带一个电子电荷量的正电荷，称之为（Hole）。 在半导体中，空穴也参与导电。其导电实质是在电场作用下相邻共价键中的价电子填补了空穴而产生新的空穴，而新的空穴又被其相邻的价电子填补，这个过程持续下去，就相当于带正电荷的空穴在移动。共价键结构与空穴产生示意图如图1.1

3、.1所示。热激发使电子、空穴成对产生。 当温度下降时，半导体材料的导电能力显著下降。利用半导体对温度十分敏感的特性，制成了工业自动控制装置中常用的热敏电阻。 某些半导体，受到光照时，半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”特性。光照强度越强，半导体的导电性能越好。 1.1 半导体二极管半导体二极管3.掺杂特性掺杂特性 2. 光敏特性光敏特性 本征半导体的导电能力差，但是在本征半导体中掺入某种微量元素（杂质）后，它的导电能力可增加几十万甚至几百万倍。 人们正是通过掺入某些特定的杂质元素，精确地控制半导体的导电能力，制成各种性质、用途的半导体器

4、件。 图1.1.2 掺杂半导体共价键结构示意图(a)N型半导体 (b)P型半导体 图1.1.3 N型半导体和P型半导体简化结构示意图(a)N型半导体简化结构示意图 (b)P型半导体简化结构示意图 N型半导体是否带负电？为什么？ 三、三、PN结及其单向导电性结及其单向导电性 如果通过一定的生产工艺把半导体的P区和N区部分结合在一起，则它们的交界处就会形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结（PN Juntion）。 PN结具有单向导电性，外加偏置电压，正偏导通，反偏截止。即P区电位高于N区，PN结通导，相当于开关闭合；P区电位低于N区电位，PN结截止，相当于开关断开。 1.1.2 半导体二极管的结构

5、、类型、电路符号半导体二极管的结构、类型、电路符号 一、半导体二极管的内部结构示意图一、半导体二极管的内部结构示意图 图1.1.4 二极管内部结构示意图、电路符号、实物图 (a)内部结构 (b)图形符号 （c）整流二极管实物图 以PN结为管芯，在P区和N区均接上电极引线，并以外壳封装，就制成了半导体二极管，简称二极管。 从P区接出的引线称为二极管的阳极（Anode）,从N区接出的引线称为阴极（Cathode）。 二、电路符号二、电路符号 二极管电路符号如图1.1.4 (b)所示。其中三角箭头表示二极管正向导通时电流的方向。 三、半导体二极管分类三、半导体二极管分类 半导体二极管按所用材料不同可

6、分为硅管和锗管。按不同用途可分为整流、稳压、变容、发光、光电、开关二极管等。 国产半导体器件命名方法见本书附录表A1。例如：2AP9，查表可知为N型锗材料制成的普通二极管，序号为9；2CZ52K为N型硅材料制成的整流二极管，它的序号为52，规格号为K。 2AP9，“2”表示电极数为2，“A”表示N型锗材料，“P”表示普通管，“9”表示序号。1.1.3 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 一、二极管的单向导电性 图(a)中的开关闭合，灯亮，大电流；图(b)开关闭合，灯不亮，电流几乎为零。 图1.1.5 半导体二极管单向导电性实验（a)二极管正向偏置 （b)二极管反向偏置 二极管阳极电位高于阴极电位

7、，称为二极管(PN结)正向偏置，简称正偏(Forward bias)； 二极管阳极电位低于阴极电位，称为二极管(PN结)反向偏置，简称反偏(Reverse bias)。 二极管正偏导通，反偏截止的这种特性称为(Onilateral conductivity)。 二、二极管的伏安特性(Volt-ampere characteristics) 二极管的伏安特性曲线如图1.1.6所示，分为三部分： (a)正向特性 (b)反向特性 (c)反向击穿特性图1.1.6 半导体二极管（硅管）伏安特性曲线 1.正向特性 当二极管正向偏置，硅管正偏电压u0.5V，锗管小于0.1V时，IF0，故称为死区，这个电压称

8、为(又称为阈值电压或门坎电压)，如图1.1.6中0A段所示。 当正偏电压大于阈值电压，随着外加电压的增加，正向电流逐渐增大。当正偏电压达到导通电压UD(on)（硅管约为0.7V，锗管约为0.2V）曲线陡直上升,u稍增大，IF显著增加（IF每增加十倍，U约增加60mV）。这一段称为“正向导通区”，曲线如图中BC段所示。其中曲线AB段称之为“缓冲带”。BC段对应的二极管两端电压称为二极管的正向管压降UF，硅二极管UF为0.70.8V,一般取0.7V，锗管UF为0.20.3V，通常取0.2V。这一段二极管正向管压降近似恒定。在实际使用中，二极管正偏导通就是指工作在这一段。 2.反向特性 二极管反向偏

9、置时，二极管有微小电流通过，称为，如图1.1.6中OD段所示。由图可见，反向电流基本上不随反向偏置电压的变化而变化。这时，二极管呈现很高的反向电阻，处于截止状态，在电路中相当于开关处于关断状态。 二极管的反向电流越小，表明二极管的单向导电性越好。 3.反向击穿特性 在图1.1.6中，当由D点继续增加反偏电压时，反向电流在E处急剧上升，这种现象称之为，二极管发生击穿时的电压称为反向击穿电压UBR。 各类二极管的反向击穿电压大小各不相同。普通二极管、整流二极管等不允许反向击穿情况发生，因二极管反向击穿后，电流不加限制，会使二极管PN结过热而损坏。 1.1.4 温度对二极管特性的影响温度对二极管特性

10、的影响 1、温度升高1，硅和锗二极管导通时的正向压降UF将减小2.5mv左右。 2、温度每升高10，反向电流增加约一倍。 3、温度升高时，二极管反向击穿电压UBR会有所下降。 1.1.5 二极管主要参数二极管主要参数 1最大整流电流IF IF为指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流。 IF与PN结的材料、面积及散热条件有关。 大功率二极管使用时，一般要加散热片。 在实际使用时，流过二极管最大平均电流不能超过IF，否则二极管会因过热而损坏。1.1.5 二极管主要参数二极管主要参数 2最高反向工作电压URM（反向峰值电压） URM为二极管在使用时允许外加的最大反向电压。URM=UBR。 实际

11、使用时，二极管所承受的最大反向电压值不应超过URM，以免二极管发生反向击穿。 3反向电流IR IR是指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。 4最高工作频率 二极管的工作频率若超过一定值，就可能失去单向导电性，这一频率称为最高工作频率。主要由PN结的结电容的大小来决定。 点接触型二极管结电容较小，可达几百兆赫兹。 面接触型二极管结电容较大，只能达到几十兆赫兹。 必须注意的是，手册上给出的参数是在一定测试条件下测得的数值。如果条件发生变化，相应参数也会发生变化。因此，在选择使用二极管时注意留有裕量。 在下列情况下，哪种情况会使二极管损坏？为什么？正向电流大于最大整流电流IF；反向电压大于最高反向

12、工作电压URM；工作频率大于最高工作频率fM。 1.1.6 二极管管脚识别及性能简易测试二极管管脚识别及性能简易测试 二极管阳极、阴极一般在二极管管壳上都注有识别标记，有的印有二极管电路符号，对于玻璃或塑料封装外壳的二极管，有色点或黑环的一端为阴极。 一、用万用表检测二极管极性和质量优劣一、用万用表检测二极管极性和质量优劣 对于极性不明的二极管，可用万用表电阻档测二极管正、反向电阻，加以判断。 1.1.6 二极管管脚识别及性能简易测试二极管管脚识别及性能简易测试 可使用万用表电阻档通过测量二极管的正、反向电阻值，来判别其阳极、阴极。 可用万用表R1k、R100档对二极管性能进行简易测试。(a)

13、 (b)图1.1.7 二极管极性识别及性能简易测试 (a)正向测试 (b)反向测试 1.1.6 二极管管脚识别及性能简易测试二极管管脚识别及性能简易测试 用万用表红表笔接二极管阴极，黑表笔接二极管阳极测得电阻称为正向电阻，将黑、红表笔对调测得电阻为反向电阻。 对于小功率锗管，若测得正向电阻为1001000，小功率硅管为几百欧姆至几千欧姆之间，反向电阻阻值在几十千欧(锗管)至几百千欧(硅管)以上，说明二极管的性能是正常的 。 若二极管正向电阻增大、反向电阻减小，二极管性能变劣。若正向电阻、反向电阻均趋于零，二极管短路；正向电阻、反向电阻均趋于无穷大，二极管开路。 1.1.6 二极管管脚识别及性能

14、简易测试二极管管脚识别及性能简易测试 在用万用表测二极管极性和性能时，要注意以下问题。（1）小功率二极管测试不能用R10、R1档，以防过电流损坏二极管；不能用R10k档，以防过电压使二极管击穿。（2）根据二极管功率大小和种类的不同，选择不同倍率的电阻档。小功率二极管用R1k、R100档，中大功率二极管一般选用R10档或R1档。（3）同一二极管选用万用表的型号不同或同一万用表的档位不同，所测得阻值会有所不同，这是由于万用表的内电压、内电阻不同及二极管的非线性所致。 二、用数字万用表测量二极管二、用数字万用表测量二极管 1.极性判别 把数字万用表置于二极管测量档，表笔分别接二极管的两引脚，若数字万

15、用表显示屏显示“1”以下数字时，说明二极管正向导通，红表笔所接为正极，黑表笔所接为负极。此时显示数字为二极管的正向压降，单位为V。若显示数字为“1”，说明二极管反向偏置，处于截止状态，红表笔所接为负极，黑表笔所接为正极。 2.判别硅管、锗管 把数字万用表置于二极管测量档，红表笔接二极管正极，黑表笔接二极管负极，使二极管处于正向导通状态，若显示屏显示导通电压为0.50.7V，说明被测管为硅管；若显示屏显示导通电压为0.10.3V，说明被测管为锗管。 1.1.7 二极管的应用二极管的应用 半导体二极管应用十分广泛。工程上它可用来当作开关，当二极管正偏时，二极管导通，相当于开关闭合，二极管两端的电压

16、为导通电压UD(on)。反偏时，二极管截止，相当于开关关断。在数字电路中，可用二极管组成分立元件与门、或门电路。在低频电路中主要用于组成整流电路、限幅和小电压稳压电路等。 一、二极管限幅电路一、二极管限幅电路 限幅电路（Limiting Circuit）又称削波电路，是用来限制输入信号电压范围的电路。 1.1.7 二极管的应用二极管的应用 1.单向限幅电路单向限幅电路 图1.1.8 单向限幅电路(a)电路图 (b)波形图 1.1.7 二极管的应用二极管的应用 2.双向限幅电路双向限幅电路 图1.1.9 双向限幅电路(a)电路图 ( b)波形图 1.1.7 二极管的应用二极管的应用 二、低电压稳

17、压电路二、低电压稳压电路 利用半导体二极管在正偏导通时导通电压基本不变的特性可组成低电压稳压电路，电路如图1.1.10所示。图中R为限流电阻，防止二极管过流而损坏。若VD1、VD2为硅管，UO=1.4V。 图1.1.10 低电压稳压电路 1.半导体由哪两种载流子参与导电？它们有什么不同？2.PN结有什么特性？3.二极管国产型号的命名由哪几部分组成？各表示什么含义？ 二极管的种类很多，利用PN结的单向导电性制成的二极管有整流二极管、检波二极管、开关二极管等。 此外，PN结还有一些其他特性，采用适当工艺方法可制成特种功能用途的二极管，如稳压二极管（Voltage regulator diode）、

18、变容二极管、肖特基二极管、快速恢复二极管、发光二极管、光电二极管等。 1.2 1.2 特种二极管特种二极管 1.2.1 1.2.1 稳压二极管（稳压二极管（Voltage regulator diode） 一、稳压二极管及其伏安特性一、稳压二极管及其伏安特性 反向击穿时流过二极管的电流在很大范围内变化，而管子两端电压几乎不变，这一特性称之为PN结的稳压特性。稳压二极管就是通过半导体特殊工艺处理后，使其具有很陡峭的反向击穿特性的二极管。 稳压二极管又称齐纳二极管（Zener diode）,简称稳压管。它的电路符号与典型稳压二极管的伏安特性如图1.2.1所示。常用稳压二极管又2CW和2DW系列。

19、1.2 1.2 特种二极管特种二极管 1.2 1.2 特种二极管特种二极管 图1.2.1 稳压二极管电路符号、伏安特性、实物图(a)电路符号 (b)稳压二极管伏安特性 （c）实物图稳压二极管实物图 二、稳压二极管主要参数 1. 稳定电压UZ 它是指稳压管中电流为规定值IZ时的反向击穿电压。 2. 动态内阻rZ 它是指稳压管两端电压变化量UZ与相应电流变化量IZ之比值。它反映管子的稳压性能，rZ越小，稳压性能越好。 3. 稳定电流IZ 它是指保持稳定电压UZ时的电流。也就是管子的最小稳定电流IZminIZ。当反向击穿电流小于IZmin时，管子不能稳压或效果不好。 4. 最大耗散功率PM和最大工作

20、电流IZM PM为稳压管所允许的最大功率，IZM为稳压管允许流过的最大工作电流，超过PM或IZM时，管子因温度过高而损坏。 PMUZ IZM 通常UZ5V的稳压管具有负温度系数，UZ8V的稳压管具有正温度系数，而UZ在6V左右时稳压管（如2DW7型）的温度系数最小。 5. 稳定电压的温度系数CTV 稳压管中流过的电流为IZ时，环境温度每变化1，稳定电压相对变化量（用百分数表示）称为稳定电压的温度系数。它表示温度变化对稳定电压UZ的影响程度。 三、使用注意事项三、使用注意事项 稳压二极管使用时应注意以下问题：稳压二极管正常使用时应反向偏置。从元器件手册上查得稳定电流IZ为最小稳压电流，为使稳压二

21、极管正常稳压且不过流损坏，应加接限流电阻，使工作电流IZ满足以下条件 IZminIZIZM。 式中，IZmin在元器件手册中是用IZ来表征的，不要和本式的IZ混淆。 1. 稳压二极管正向偏置，能稳压吗？此时输出电压为多大？ 2.从附录表A.3查得2CW57的工作电流IZ为5mA，最大电流IZM为26mA，在实际使用中工作电流应怎么选？ 1.2.2 变容二极管变容二极管 1变容二极管原理、电路符号 变容二极管是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。 2用途 它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等，例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容等。 图1.2.2 变容二极管电路符号

22、、C-U曲线、实物图 1.2.3 1.2.3 肖特基二极管肖特基二极管 肖特基二极管是利用金属和N型或P型半导体接触形成具有单向导电性的二极管，因此也称金属半导体二极管。其图形符号如图1.2.3所示。 图1.2.3 肖特基二极管电路符号 它在数字集成电路中与晶体三极管做在一起，形成肖特基晶体管，以提高开关速度。还可用作高频检波和续流二极管等。 1.2.4 1.2.4 快速恢复二极管快速恢复二极管 快速恢复二极管图形符号如图1.2.4所示，它与普通二极管相似，但制造工艺与普通二极管有所不同，在靠近PN结的掺杂浓度很低，以此获得较高开关速度和较低的正向压降。它的反向恢复时间为200750nS，高速

23、的可达10nS，与肖特基二极管相比，其耐压值要高得多。 它主要用作高速整流元件，在开关电源和逆变电源中作整流二极管，以降低关断损耗，提高效率和减小噪声。图1.2.4 快速恢复二极管电路符号 1.2.5 发光二极管发光二极管 （Light emitting diodeLight emitting diode，缩写，缩写）是最常见是最常见的电的电- -光转换器件。光转换器件。 一、发光二极管的分类一、发光二极管的分类 (1)(1)按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。单个发光二极管只能发出单一颜色，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片，成为双色或三色发

24、光二极管。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管常用来做指示灯。 (2)(2)按掺或不掺散射剂、有色还是无色划分按掺或不掺散射剂、有色还是无色划分：有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种。其中，散射型发光二极管常用来做指示灯。 (3)按发光管出光面特征划分为按发光管出光面特征划分为：圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。其中，圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等，且外形尺寸以3mm、5mm最为常见。 国外通常把3mm的发光二极管记

25、作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm的记作T-1（1/4）。 (4)按发光强度划分按发光强度划分：普通亮度的LED（发光强度100mcd）；高亮度的LED(发光强度在10100mcd间)。 (5)按工作电流划分：按工作电流划分：一般LED(工作电流在十几毫安至几十毫安)；低电流LED(工作电流在2mA以下，其亮度与普通发光管相同）。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。 二、发光二极管的符号及特性二、发光二极管的符号及特性 发光二极管的外形封装、图形符号、伏安特性曲线如图7.1.1所示。当所施加正向电压（UF）未达开启电压时，正向电流IF几乎为零，但电压一

26、旦超过开启电压时，电流急剧上升，电流、电压几乎成线性关系，即发光二极管呈欧姆导通特性。 图1.2.5 发光二极管的外形封装、图形符号、伏安特性曲线、实物图（a) 外形图 （b) 图形符号 （c) 特性曲线 (d)实物图 （d）发光二极管图片三、发光二极管主要参数三、发光二极管主要参数 最大工作电流最大工作电流IFM 它是指发光二极管长期工作时，所允许通过的最大电流。正向压降正向压降UF 它是指通过规定正向电流时，发光二极管两端产生的正向电压。正常工作电流正常工作电流IF 它是指发光二极管两端加上规定正向电压时，发光二极管的正向电流。反向电流反向电流IR 它是指发光二极管两端加上规定反向电压时，

27、发光二极管内的反向电流。该电流又称反向漏电流。发光强度发光强度IV 它是表示发光二极管亮度大小的参数，其值为通过规定电流时，其管心垂直方向上单位面积所通过的光通量，单位为mcd。 发光二极管的发光颜色是由发光波长决定的。故发光波长也是主要参数之一。 四、发光二极管使用注意事项四、发光二极管使用注意事项 对于全塑形封装的LED，正、负极引脚靠环氧树脂固定，为避免管芯受热损坏和因环氧树脂受热软化致使引脚移动时内引线断开，装配焊接时要注意： 第一，印制电路板上LED安装孔应与管子两引脚间距相同，使引脚与环氧树脂管帽不产生应力； 第二，焊接所用电烙铁应选25W 以下，焊接点应离管帽4mm以上； 第三，

28、焊接时电烙铁接触时间不要超过4s，最好用镊子夹住管脚进行散热。 要合理选择LED的驱动电流，不能超过允许值，以免PN结结温过高，缩短管子寿命。四、发光二极管使用注意事项四、发光二极管使用注意事项 普通发光二极管属电流控制器，使用时必须加限流电阻R，图1.2.5中电阻即为限流电阻。R对保证LED正常工作起决定作用。 一旦R值选定，电源VCC值就不能改变，否则将会造成LED发光强度的变化，严重时会损坏LED。 电压型发光二极管，外形与普通二极管无区别，其内部除普通二极管外，还集成有一个限流电阻，该电阻与发光二极管串联，引出二引脚。使用时加上额定电压，它便会正常发光。 发光二极管的反向电压一般选多少

29、伏？ 五、极性判别与性能初测五、极性判别与性能初测 发光二极管可用数字万用表进行极性判别与性能初测，方法与普通二极管类似。 将数字万用表置于二极管测量档，正反两次测量电压数值应一大一小，大的显示“1”(超量程)，发光二极管不发光；小的一次的数值为正向压降，发光二极管微弱发光，此时红表笔所连接的引脚为正极；且发光二极管性能正常。如果正反两次测得均为“1”(超量程)，或均为较小电压数值，表明发光二极管已损坏。 六、发光二极管的驱动六、发光二极管的驱动 发光二极管是一种电流控制器件。正向偏置，且IF在正向工作电流所规定的范围之内，就能发光。其供电电源既可以是直流的也可以是交流的。 1 1、直流电源驱

30、动、直流电源驱动 发光二极管LED的直流电源驱动电路如图1.2.6所示。限流电阻R的估算式为 式中，UF为LED正向电压，一般取12V，IF为正向工作电流， UF与IF可从产品手册中查得。 图1.2.6 发光二极管直流电源驱动电路 本章引言案例充电式手电筒中的LED就是直流电源驱动的。详情见“本章引言案例分析”LED充电式手电筒电路分析。 发光二极管输出的光强度在很宽的电流范围内与流过它的PN结的正向电流成正比，故可利用交流驱动对LED的发光强度作线性调制，且常用于光通信及光耦合隔离电路中。2、交流驱动、交流驱动 为使LED输出较大的光功率，必须采用交流电流源来驱动。 交流驱动电路如图1.2.

31、7所示，图(a)中的VD对LED起反向保护作用，图(b)的接法可提高电源的利用率。 图1.2.7 LED的交流驱动电路（a）二极管反向保护电路 （b）双发光二极管电路 (2)限流电阻估算限流电阻估算 限流电阻R可由下式估算 式中,US为交流电源电压的有效值，UF为LED正向工作电压，IF为LED正常工作电流。 3.晶体管驱动 发光二极管的晶体管驱动参阅本书2.3.1节。 4.数字电路与比较器驱动 数字电路与比较器驱动是指当数字电路或比较器输出低电平或高电平时，LED正偏导通发光。附录B图B.2所示可燃气体报警器电路中，VD6黄色LED、VD7红色LED就是比较器进行驱动的。 比较器A2输出低电

32、平(UL0.77V)，VD6黄色LED发光。黄色LED选用2EF841，查手册，其导通电压为2V，IF=10mA，最大工作电流IFM=30mA，限流电阻R5=220，工作电流 IFIIFM，符合要求。 1.2.6 1.2.6 光电二极管及其应用光电二极管及其应用 光电二极管亦称光敏二极管（Photodiode，缩写PD），为了提高它的工作性能，人们研制出许多性能优良的新品种，如Si光敏二极管、PIN光电二极管、雪崩光敏二极管、肖特基光电敏二极管、HgCdTe光伏二极管等等。它们的结构及制作工艺不同，而工作原理基本相同，限于篇幅，下面以Si光电二极管为例进行介绍 1.2.6 1.2.6 光电二极

33、管及其应用光电二极管及其应用 一、光电二极管图形符号、工作原理及主要参数 半导体光电器件的基本工作原理是半导体中的光生伏特效应。由于PN结存在内建电场，在受到光照时，便有光电流流过外接电路，即使没有外加偏压，PN结也会产生光生电动势，这种光电效应（Photogalvanic effect）通常称为光生伏特效应。 光电二极管有光伏和光电导两种工作模式。光伏模式不加偏置电压，而光电导模式则要加反向偏置电压。光电二极管图形符号如图1.2.8所示。 光电二极管按衬底材料的导电类型不同，有2CU和2DU两大系列。其中2CU系列以型硅为衬底，2DU系列为型硅材料为衬底。它们的结构和电路符号如图1.2.9所

34、示。 1.2.6 1.2.6 光电二极管及其应用光电二极管及其应用 图1.2.8 光电二极管图形符号 图1.2.9 2CU、 2DU系列硅光电二极管结构（a）2CU系列结构 （b）2DU系列结构 1.2.6 1.2.6 光电二极管及其应用光电二极管及其应用 由图1.2.9可见，2CU系列光电二极管只有两条引出线，而2DU系列光电二极管有三条引出线。从高掺杂型硅区引出电极称为环极。2DU型管加环极的目的是为了减小因表面漏电流而产生的暗电流和噪声。 如使用时环极悬空，除暗电流和噪声较大外，其他性能均不受影响。2型管反偏时，不会产生表面漏电流，故不需加环极。 光电二极管实物图如图1.2.10所示。

35、图1.2.10 光电二极管实物图 1.2.6 1.2.6 光电二极管及其应用光电二极管及其应用 三、光电二极管主要参数三、光电二极管主要参数 光电二极管主要电参数有暗电流、光电流IR、最高工作电压。最高工作电压是指电流不超过允许值的最大反向电压。 光电二极管的主要特性参数有： （1）灵敏度 它是给定的入射光的光电流与光照功率（或光照强度）的比值，该值愈大愈好，其典型值为0.1A/Ix数量级。 （2）光谱范围 指光电二极管入射光允许波长范围一般在0.41.1m之间。 （3）峰值波长(Peak wave length) 指光电二极管灵敏度最高时入射光的波长。锗管的峰值波长为1.465m，硅管的峰值

36、波长为0.9m。 （4）响应时间 指光电二极管将光信号转换成电信号所需要的时间。 1.2.6 1.2.6 光电二极管及其应用光电二极管及其应用 四、光电二极管应用 光电二极管一般用作光电检测器件，把光信号转换成电信号。 光电二极管简单应用电路如图1.2.11所示。图1.2.11（a）为无偏置电路，适用于光伏模式光电二极管，输出电压Uo=IRRL。图1.2.11（b）为反向偏置应用电路，光电二极管的响应速度比无偏置电路提高几倍，Uo=IRRL 。 图1.2.11 光电二极管的简单应用电路（a）无偏置电路 （b）反向偏置应用电路 1.2.6 1.2.6 光电二极管及其应用光电二极管及其应用 五、光

37、电二极管使用注意事项五、光电二极管使用注意事项（1）RL选取时，光导模式光电二极管要保证光电二极管反偏电压不少于5V；当偏置电压小于5V时，光电流与入射光强度不再呈线性关系，使电路性能变坏。同时又不能超过最大反向电压，以免损坏光敏二极管。（2）管子的光谱范围应和光源光谱相适应。（3）安装时应使入射光路和管子的受光面垂直，应设法避免管子受外界杂散光的影响。（4）入射光强度要适当，使用的环境温度不宜过高。（5）必须根据不同的用途选择适当的管型，如光控电路中，一般应选灵敏度高的管子。（6）光电二极管管壳必须保持清洁，以保证器件光电灵敏度。管壳脏了，应及时用酒精棉擦拭干净。 1.2.7 SMT 1.2

38、.7 SMT与微型二极管简介与微型二极管简介 目前，电子元器件正朝着短、小、轻、薄的方向发展。 SMT是未来电子产品装配的主流。 因采用SMT缩小了安装尺寸，印制电路板及元器件在高频情况下而产生的分布电容、分布电感大大减小，在高频电子仪器设备和高速数字电子仪器设备的装配中，有着不可替代的优势，得到广泛应用。 1.2.7 SMT 1.2.7 SMT与微型二极管简介与微型二极管简介 微型元器件（亦称片状元器件）具有以下特点：（1）微型化，例如电阻3216R，其外形尺寸为3.2mm1.6mm0.6mm，电容1005C外形尺寸为1.0mm0.5mm0.35mm.。（2）引出端没有引线或只有很短的引线。

39、（3）能满足SMT的要求，能实现印制电路板中的印制导线高密度化。例如印制导线的线宽和线距可缩小为0.050.1mm。 1.2.7 SMT 1.2.7 SMT与微型二极管简介与微型二极管简介 微型元器件很多，从结构形状上划分，有薄片矩形、圆柱形、扁平异形等；从功能上分类，可分为无源微型元件SMC（如片状电阻器、电容器、电感器、滤波器和陶瓷振荡器等）和有源微型器件SMD（如微型二极管、晶体三极管、场效应管和数字、模拟集成器件等）。 常见微型二极管有以下三种。 1. 圆柱形无引线二极管 2. 塑封矩形薄片二极管 3. SOT-23封装片状二极管 1.2.7 SMT 1.2.7 SMT与微型二极管简介

40、与微型二极管简介 图1.2.6 SOT-23封装微型二极管图1.2.5 圆柱型微型二极管 图1.2.7 SOT-23封装型二极管内部结构 微型元器件实物图微型元器件实物图 1.画出几种常用特殊二极管电路符号，它们有什么不同？2.稳压二极管和变容二极管有何用处？正常工作时，应加什么偏置电压？3.对发光二极管和光电二极管外加偏置电压有什么不同？使用中应注意哪些问题？ 1.3.1 1.3.1 单相半波整流电路单相半波整流电路 市电（交流电网）变为稳定的直流电需经过变压、整流、滤波和稳压四个过程。 利用二极管的单向导电性，将大小和方向都随时间变化的工频交流电变换成单方向的脉动直流电的过程称为整流。 有

41、时将变压器、整流电路和滤波电路一起统称为整流器。 1.3 1.3 二极管整流电路二极管整流电路 单相半波整流电路如图1.3.1所示，图中T为电源变压器,RL为电阻性负载。 图1.3.1 单相半波整流电路 一、电路工作原理一、电路工作原理 图1.3.2 半波整流电路波形图 设变压器二次绕组的交流电压u2=2U2sint，式中，U2为二次电压有效值。u2的波形如图1.3.2（a）所示。 (1)正半周u2瞬时极性a()，b()，VD正偏导通，二极管和负载上有电流流过。若向压降UF忽略不计，则uou2。 (2)负半周u2瞬时极性a()，b()，VD反偏截止，IF0，uDu2。 负载RL上电压和电流波形

42、见图1.3.2（b）、（c）。uo为u2的半个周期，故称半波整流电路。uo、iL为单向脉动直流电压、电流。 二、负载上直流电压和电流的计算二、负载上直流电压和电流的计算 负载上的直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。 三、整流二极管的选择三、整流二极管的选择（1）IF 二极管的最大整流电流IFID，即IFID=IL=0.45 U2/RL。（2）URM 1.3.2 1.3.2 单相全波整流电路单相全波整流电路 图1.3.3 变压器中心抽头单相全波整流电路 一、电路工作原理一、电路工作原理 整流电路VD1和VD2 轮流导通，所以在交流电的整个周期内都有电压输出，因此该电路称为全波整流电路。二、负

43、载上电压、电流值二、负载上电压、电流值 全波整流电路波形如图1.3.4所示。从图中可见，全部整流电路负载上得到电压或电流的平均值是半波整流电路的两倍，即 图1.3.4 全波整流电路波形图 三、整流二极管选择三、整流二极管选择 由于在单相全波整流电路中每个二极管只在半个周期内导通，所以流经每个管子的平均电流为IL（AV）一半，所以URMUDM= 22 U2 图1.3.5 全波整流电路最大反向峰值电压计算等效电路 IFID=1/2IL(AV)=0.45U2/RL 1.3.3 1.3.3 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 单相桥式整流电路（Bridge rectifier）如图1.3.6所示，其中图

44、（b）为简化画法，图（c）为另一种画法。 图1.3.6 单相桥式整流电路(a)原理图 (b)简化画法 (c)另一种画法 一、电路工作原理一、电路工作原理 （1）u2正半周 u2瞬时极性a()，b()。二极管VD1、VD3正偏导通，VD2、VD4反偏截止。导电回路为aVD1RLVD3b,负载上电压极性上正下负。 （2）u2负半周 u2瞬时极性a()，b()。二极管VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正偏导通，导电回路为bVD2RLVD4a，负载上电压极性同样为上正下负。 波形图： u2、iD、uo及iL波形如图1.3.7所示。 二极管正确接法： 错接二极管会形成很大短路电流而烧毁。正确接法：共

45、阳端和共阴端接负载，而另外两端接变压器二次绕组。 图1.3.7 单相桥式整流电路波形图 二、负载上电压、电流值计算二、负载上电压、电流值计算 输出电压的平均值Uo(AV)和电流平均值IL（AV）及系数等均与全波整流电路相同，即UO(AV)=0.9U2，IL(AV)=0.9U2/RL。 三、整流二极管的选择三、整流二极管的选择 选择二极管时 ， 桥式整流电路中，其中一个二极管虚焊(相当于有一个二极管断开)，输出电压会发生什么变化？加在其他二极管的反向电压有无变化？ 四、硅桥式整流器简介四、硅桥式整流器简介 为使用方便，工厂生产出硅单相半桥整流器和硅单相桥式整流器。半桥整流器为二个二极管串接后封装

46、引出三个引脚。单相桥式整流器又称桥堆，它将桥式整流器中四个二极管集中制成一个整体，其外形如图1.3.8所示。其中标有“”引脚为交流电源输入端，其余两脚接负载。图中标注尺寸单位为：mm。 图1.3.8 常用桥式整流器(a)QL16型 (b)QL51型桥式整流器实物图片桥式整流器实物图片* 倍压整流电路倍压整流电路 二极管倍压整流电路（Voltage doubler rectifer）如图1.3.9所示。图1.3.9 倍压整流电路倍压整流电路倍压整流电路 倍压整流电路倍压整流电路 倍压整流电路倍压整流电路 1.半波整流、全波整流、桥式整流电路在输入电压为10V时，输出电压各为多大？2. 半波整流、

47、全波整流、桥式整流电路在输入电压为10V，整流二极管最大反向电压UDM为多大？负载电阻为100，流过整流二极管的电流ID为多大？3.全波整流电路与桥式整流电路其中一个二极管极接反了，会产生什么后果？ 一、半波整流电容滤波电路一、半波整流电容滤波电路 半波整流电容滤波电路如图1.4.1(a)所示。画出的输出电压uo亦即电容C上电压uC波形如图1.4.1(b)所示，其中虚线所示为半波整流电路不加滤波电容时的波形。 为提高输出电压的平滑程度，增大滤波电容的电容量是行之有效的方法，但电容量增大，电容器价格增高。 1.4 1.4 滤波电路滤波电路 一、半波整流电容滤波电路一、半波整流电容滤波电路图1.4

48、.1 半波整流滤波电路及波形图 1.4.1 1.4.1 电容滤波电路电容滤波电路 在0t1期间，uo的波形为0A段，近似按输入电压上升；t1t2期间，uo波形自A向B缓慢下降；t1t2期间，uo波形又开始按输入电压迅速上升，如此不断重复，使uo 趋于平滑。 半波整流电容滤波电路输出直流电压平均值为 UO（AV）=（11.1）U2 一般取UO（AV）=U2 流过二极管的平均电流为 ID（AV）U2/RL 二极管承受的最大反向电压为 在原半波整流电路上加接上滤波电容后，是否要更换二极管(改变参数)？为什么？ 二、二、单相桥式整流电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路 图1.4.2 单相桥式整流电容滤

49、波电路图及波形图 其工作原理与半波整流滤波电路基本相同，不同的是输出电压是全波脉动直流电，无论u2是正半周还是负半周，电路中总有二极管导通。 在一个周期内，u2对电容充电二次，电容对负载放电的时间大大缩短，输出电压波形更加平滑，波形如图1.4.2（b）所示，图中虚线为不接滤波电容时的波形，实线为滤波后的波形，输出电压为 U O(AV)1.2U2 在电容滤波电路中，若负载电阻开路，UO=2U2。 滤波电容按下式 选取 =RLC（35）T/2 式中，T是交流电的周期。 滤波电容数值一般在几十微到几千微法，视负载电流大小而定，其耐压值应大于输出电压值，一般取1.5倍左右，且通常采用有极性的电解电容。

50、 在滤波电容装接过程中，切不可将电解电容极性接反，以免损坏电解电容或电容器发生爆炸。 电容滤波电路简单，输出电压Uo较高，脉动较小。但外特性差，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。 桥式整流电容滤波电路，接法正确，但其中一个二极管虚焊(相当于有一个二极管断开)，输出电压会发生什么变化？ 1.4.2 电感电容滤波电感电容滤波 利用电感线圈中电流变化产生的自感电动势阻碍电流变化的特性，可组成电感滤波器，电感滤波器的工作频率越高、电感量越大，滤波效果越好。电感电容滤波电路如图1.4.3所示。 图1.4.3 电感电容滤波电路 LC滤波的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，尤其适用于

51、高频整流，如开关电源电路。 电感、电容滤波各利用了它们的什么特性？ 1.4.3 RC 型滤波电路型滤波电路 RC-型滤波电路如图1.4.4所示。 它是利用R和C对输入回路整流后的电压的交直流分量的不同分压作用来实现滤波作用的。 电阻R对交直流分量均有同样的降压作用，但是因为电容C2的交流阻抗很小，这样电阻R与电容C2及RL配合以后，使交流分量较多地降在电阻R两端，而较少地降在负载RL上，从而起到滤波作用。R越大，C2越大，滤波效果越好。但R不能太大，R太大将使直流压降增大，能量无谓地消耗在R上。 1.4.3 RC 型滤波电路型滤波电路 图1.4.4 RC-型阻容滤波电路 桥式整流RC-型滤波输

52、出电压可用下式估算： 该电路适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动小的场合。 1.4.4 整流滤波电路应用及其故障分析整流滤波电路应用及其故障分析 一、应用示例一、应用示例 整流滤波电路应用十分普遍，由交流电供电的电子设备，很多就采用变压、整流滤波电路。附录图B.2(a)中，经变压器降压后，VD1VD4（选用型号为1N4007的整流二极管）组成桥式整流电路，C4为滤波电容，选1000F/50V的电解电容。 二、故障分析二、故障分析 整流滤波电路的调试中需熟记各类整流滤波电路的输出电压与变压器二次侧电压有效值U2的关系，以便分析排除故障。整流滤波各类电路输出电压平均值UO(AV)与U2关系见表J

53、1.1。所有电容滤波电路若负载RL开路，UO1.414 U2。整流滤波电路调试过程中常见故障分析，通过下例予以介绍。 1.4.4 整流滤波电路应用及其故障分析整流滤波电路应用及其故障分析 例例1.4.2 桥式整流电容滤波如图1.4.5所示，变压器二次侧电压为10V。若测得输出电压分别为(1) 4.5V；(2)9V；(3)10V；(4)14V，试分析电路工作正常?若不正常，分析故障原因。 图1.4.5 桥式整流滤波电路 解： 本电路工作正常时UO(AV)=1.2U2=12V。实测得到例题所列数据，说明电路有故障。 (1) 测得输出为4.5V，这一电压数据符合半波整流电路的输出输入关系。说明此时桥式整流电容滤波电路变成半波整流电路。估计：桥式整流二极管其中有一个开路，可能其中一个二极管虚焊或断开；同时滤波电容开路。 (2) 测得输出电压为9V，UO(AV)=0.9U2，说明此时电路变成桥式整流电路，滤波电容断开。 (3) 测得输出电压为10V，UO(AV)=U2，说明此时电路变成半波整流电容滤波电路，是因整流桥中有一个二极管开路所致。 (4)UO(AV)=14V，UO1.414 U2，说明此时负载电阻开路。 1.半波整流电容滤波、全波整流电容滤波电路输出电压与输入电压什么关系？2.大电流负载要使滤波效果好，应选什么滤波电路？3.LC滤波的整流电路适用于适用于什么场合？4.RC