第二讲半导体二极管及应用ppt课件

1、本书所用符号规定本书所用符号规定:UD （ID）大写字母、大写下标，表示直流量。大写字母、大写下标，表示直流量。uD （iD）小写字母、大写下标，表示全量。小写字母、大写下标，表示全量。ud （id）小写字母、小写下标，表示交流分量。小写字母、小写下标，表示交流分量。ud全量全量交流分量交流分量uDtUD直流分量直流分量 全量（总量）直流分量交流分量全量（总量）直流分量交流分量 uD = UD + ud 二极管是诞生最早的半导体器件之一，其应用非常广泛。二极管是诞生最早的半导体器件之一，其应用非常广泛。 几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多几乎在所有的电子电路中，都要用到半导

2、体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用。如：整流、限幅、箝位、稳压、混的电路中起着重要的作用。如：整流、限幅、箝位、稳压、混频、检波、调幅等等。频、检波、调幅等等。1.3 晶体二极管及其应用晶体二极管及其应用整流整流箝位箝位混频混频检波检波 二极管是诞生最早的半导体器件之一，其应用非常广泛。二极管是诞生最早的半导体器件之一，其应用非常广泛。 几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用。如：整流、限幅、箝位、稳压、混的电路中起着重要的作用。如：整流、限幅、箝位、稳压、混频、检波、调幅等等。频、检波、调幅等等

3、。1.3 晶体二极管及其应用晶体二极管及其应用一、二极管的结构和电路符号一、二极管的结构和电路符号二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数四、二极管的电路模型四、二极管的电路模型五、二极管应用电路的分析五、二极管应用电路的分析一、二极管的结构和电路符号一、二极管的结构和电路符号PN阳阳(正正)极极阴阴(负负)极极k阴极阴极阳极阳极a二极管的电路符号二极管的电路符号1 1、点接触型二极管：、点接触型二极管：结面积小，允许电流小、极间电容小，结面积小，允许电流小、极间电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。2 2、面接触型二极管：、面接触

4、型二极管：3 3、平面型二极管：、平面型二极管：用于集成电路制造工艺中，结面积可用于集成电路制造工艺中，结面积可大可小，小的工作频率高，大的允许大可小，小的工作频率高，大的允许电流大，用于高频整流和开关电路。电流大，用于高频整流和开关电路。 阴阴极极引引线线 阳阳极极引引线线 P N P 型型 支支持持衬衬底底 结面积大、允许电流大，极间电容大，结面积大、允许电流大，极间电容大，适于大电流整流，工作频率低。适于大电流整流，工作频率低。二极管的内部结构：二极管的内部结构：工作速度和大功率两者难以得兼。工作速度和大功率两者难以得兼。常见的二极管外形：常见的二极管外形：二、二极管的伏安（二、二极管的

5、伏安（V-I )特性特性1 1、二极管的伏安特性方程：、二极管的伏安特性方程：)1(/ TUueIiDSDUT 温度电压当量（热电压当量）温度电压当量（热电压当量）UT=kT/q，常温下，常温下 UT26mV。IS 二极管反向饱和电流。二极管反向饱和电流。这就是著名的这就是著名的PN结电流方程结电流方程)/(1038. 123KJk Cq19106 . 1 KT300 + +iDuD-RE限流限流电阻电阻波尔兹曼常数波尔兹曼常数电子电量电子电量0uDiD- -+uDiD2 2、二极管的伏安特性曲线：、二极管的伏安特性曲线：)1(/ TUueIiDSDUon死区死区（1）二极管的开启（死区、门限

6、）电压）二极管的开启（死区、门限）电压Uon：UOn正向正向特性特性当二极管两端的正偏电压当二极管两端的正偏电压uD4UT时，时，1/D TUue则则：TUueIi/SDD 正向电流随正偏电压的增大呈正向电流随正偏电压的增大呈指数指数规律增加。（如图）规律增加。（如图）（2）二极管的正向导通压降）二极管的正向导通压降UD ：二极管导通后，管压降随电流变二极管导通后，管压降随电流变化很小，可认为是恒定的。化很小，可认为是恒定的。UD 典型值：典型值：0uDiD- -+uDiD2 2、二极管的伏安特性曲线：、二极管的伏安特性曲线：)1(/ TUueIiDSDUon死区死区（3）二极管的反向饱和电流

7、）二极管的反向饱和电流IS：反向反向特性特性当二极管两端的反偏电压当二极管两端的反偏电压|uD|4UT时，时，1 TUue/D则则：SDIi SISI IS为常数，不随反偏电压而变化，为常数，不随反偏电压而变化，反偏时电流很小，相当于截止，二反偏时电流很小，相当于截止，二极管可看成是一个高阻抗的元件。极管可看成是一个高阻抗的元件。可见二极管具有单向导电性。可见二极管具有单向导电性。0uDiD- -+uDiD2 2、二极管的伏安特性曲线：、二极管的伏安特性曲线：)1(/ TUueIiDSDUon死区死区（4）二极管的反向击穿电压）二极管的反向击穿电压UBR ：ZISI反向反向击穿击穿二极管反偏电

8、压增大到一定值时，反二极管反偏电压增大到一定值时，反向电流急剧增大，二极管反向击穿。向电流急剧增大，二极管反向击穿。BRUUBR反向击穿电压，反向击穿电压，电击穿是一种可逆的击穿，电击穿是一种可逆的击穿，当反向电压降低后，二极管可恢当反向电压降低后，二极管可恢复到原来的反向截止状态。复到原来的反向截止状态。如果反向击穿时，电流过大，使如果反向击穿时，电流过大，使管子消耗的平均功率超过二极管管子消耗的平均功率超过二极管容许值，会使管子过热而烧毁，容许值，会使管子过热而烧毁，称为称为热击穿热击穿，为不可逆击穿。，为不可逆击穿。* *电击穿可利用，热击穿需避免。电击穿可利用，热击穿需避免。- -+u

9、DiD2 2、二极管的伏安特性曲线：、二极管的伏安特性曲线：)1(/ TUueIiDSD（4）二极管的反向击穿电压）二极管的反向击穿电压UBR ：二极管反偏电压增大到一定值时，反二极管反偏电压增大到一定值时，反向电流急剧增大，二极管反向击穿。向电流急剧增大，二极管反向击穿。UBR反向击穿电压，反向击穿电压，电击穿是一种可逆的击穿，电击穿是一种可逆的击穿，当反向电压降低后，二极管可恢当反向电压降低后，二极管可恢复到原来的反向截止状态。复到原来的反向截止状态。如果反向击穿时，电流过大，使如果反向击穿时，电流过大，使管子消耗的平均功率超过二极管管子消耗的平均功率超过二极管容许值，会使管子过热而烧毁，

10、容许值，会使管子过热而烧毁，称为称为热击穿热击穿，为不可逆击穿。，为不可逆击穿。* *电击穿可利用，热击穿需避免。电击穿可利用，热击穿需避免。雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿击穿击穿原因原因低掺杂的低掺杂的PN结，结，价电子被价电子被碰撞电离碰撞电离高掺杂的高掺杂的PN结，价结，价电子被场电子被场致激发致激发击穿击穿电压电压6V00ZI3 3、二极管的伏安特性曲线与材料和温度的关系：、二极管的伏安特性曲线与材料和温度的关系：0uDiD硅硅锗锗材材料料开启开启电压电压导通导通压降压降反向饱反向饱和电流和电流硅硅0.5V 0.60.8V1A锗锗0.1V 0.20.3V几十几十A0uDiD2080温

11、度升高，温度升高， IS增大增大(1倍倍/10 C)温度升高，温度升高，Uon下降，下降，正向曲线左移正向曲线左移22.5mV/ C。硅二极管的性能优于锗二极管硅二极管的性能优于锗二极管（1）直流电阻）直流电阻RD直流电阻直流电阻定义：定义：静态工作点（直流工作点）静态工作点（直流工作点）Q的概念的概念:DuDi1DU1DIQ12DU2DIQ2由图可知：由图可知： 二极管的直流电阻不是一个常量，二极管的直流电阻不是一个常量， 而是与其工作点有关，电流越大，而是与其工作点有关，电流越大， 直流电阻越小。直流电阻越小。 二极管反偏时的直流电阻很大。二极管反偏时的直流电阻很大。 二极管具有二极管具有

12、单向导电特性单向导电特性。静态工作点是指加在二极管上的直流静态工作点是指加在二极管上的直流偏置电压和电流。偏置电压和电流。4、二极管的直流电阻和交流电阻、二极管的直流电阻和交流电阻+ +IDU D-REDDDIUR 直直流流电电流流直直流流偏偏压压+ +IDU D-RE（2）交流电阻（动态电阻）交流电阻（动态电阻）rdDiDuDUDIQ1 QDDdudi定义：定义：QDDdidu 1 QDdud可见，二极管的动态电阻与工可见，二极管的动态电阻与工作点有关，并且可用静态电流作点有关，并且可用静态电流来计算，来计算，ID rd 。一般：一般：正偏时：几正偏时：几 几十几十 反偏时：几百反偏时：几百

13、k 几几M diduTUueIi/SDD IDUDQDDdIUr DTIU )(/SDTUueIud+ +-（3）让我们来比较一下二极管的直流电阻和交流电阻）让我们来比较一下二极管的直流电阻和交流电阻DDDIUR DTdIUr 直流电阻：直流电阻：交流电阻：交流电阻：思考：思考：1、能否用万用表来测量二极管的直流电阻或交流电阻？、能否用万用表来测量二极管的直流电阻或交流电阻？2、你会用万用表来判断二极管的极性及其性能的好坏？、你会用万用表来判断二极管的极性及其性能的好坏？ 三、三、 二极管的主要参数二极管的主要参数1、 最大平均整流电流最大平均整流电流IF2、 最大反向工作电压最大反向工作电压

14、UR：3、 反向电流反向电流IR：4、 最高工作频率最高工作频率fmax：允许二极管流过的最大允许二极管流过的最大平均电流平均电流。IR=IS由于由于PN结的电容效应，若二极管上的交流电压频率结的电容效应，若二极管上的交流电压频率超过该值，则二极管的单向导电性将会将明显变差。超过该值，则二极管的单向导电性将会将明显变差。使用时要特别注意不能超过使用时要特别注意不能超过IF和和UR，否则容易损坏管子。，否则容易损坏管子。长期正常工作时允许加在二极管两端的最大反向电压。长期正常工作时允许加在二极管两端的最大反向电压。若超过此值，二极管有被击穿的可能。若超过此值，二极管有被击穿的可能。因为电流通过二

15、极管时就要发热，如果正向电流超过此因为电流通过二极管时就要发热，如果正向电流超过此值，二极管就会有烧坏的危险。值，二极管就会有烧坏的危险。BRUU2/1R 通常：通常：0uD/v0.2 0.4 0.6 0.8 20 405101520 10 20 30 40 AiD/mABRUOnUDUSI) 1(/SDD TUueIiDiDu+- -RVDDuS+- -现在让我们来看看这个电路图，现在让我们来看看这个电路图，方法：用叠加原理，交、直流分开计算，然后叠加得到总量。方法：用叠加原理，交、直流分开计算，然后叠加得到总量。如何求出二极管两端的总电压如何求出二极管两端的总电压和总电流呢？和总电流呢？直

16、流中二极管怎么处理？直流中二极管怎么处理？交流中二极管怎么处理？交流中二极管怎么处理？分段线性模型分段线性模型交流小信号模型交流小信号模型 理想开关模型理想开关模型四、二极管的等效模型四、二极管的等效模型1 1、二极管伏安特性的分段线性模型、二极管伏安特性的分段线性模型 恒压降模型恒压降模型 折线模型折线模型uDiDiDuDUOniDuDrD000正偏导通正偏导通,uD=0; 反偏截止反偏截止,iD=0导通时导通时:uD=UD(0.7V)截止截止: iD=0 导通导通:uD=Uon+IDrD 截止截止: iD=0最常用最常用要求要求:iD1mArd 工作点处的交流电阻。工作点处的交流电阻。 当

17、在二极管的工作点上叠加有当在二极管的工作点上叠加有低频低频交流交流小信号小信号电压电压ud时，时，只要工作点选择合适，且只要工作点选择合适，且ud足够小足够小，可将，可将Q点附近的伏安特性点附近的伏安特性曲线看成直线曲线看成直线(线性化线性化)，则交流电压与电流之间的关系可用一则交流电压与电流之间的关系可用一个线性电阻个线性电阻rd来近似。来近似。2 2、交流小信号模型、交流小信号模型DiDuDUDIQdidudDDiIi dDDuUu +-DTdIUr/ 注意：注意：小信号模型只能反映交流电压和电流之间的关系，小信号模型只能反映交流电压和电流之间的关系， 不能反映总的电压与电流的关系。不能反

18、映总的电压与电流的关系。didr+-交流小信号模型交流小信号模型【例题】试估算二极管上交流电压与【例题】试估算二极管上交流电压与 电流成分的振幅值电流成分的振幅值Udm、Idm。 dDDiIi dDDuUu +-+-ui1k R10V)(102sin(1003mVtui (1)未加上正弦信号时，由未加上正弦信号时，由10V直流电源确定二极管的静态直流电源确定二极管的静态 工作点；工作点；(2)加上正弦信号后，二极管在静态工作点上叠加一个交流加上正弦信号后，二极管在静态工作点上叠加一个交流 小信号，二极管在电路中可等效为一个线性元件，这样小信号，二极管在电路中可等效为一个线性元件，这样 就可以利

19、用叠加原理分别计算其直流量和交流量。就可以利用叠加原理分别计算其直流量和交流量。(3)注意二极管的直流模型和交流小信号模型是不同的。注意二极管的直流模型和交流小信号模型是不同的。【例题】试估算二极管上交流电压与【例题】试估算二极管上交流电压与 电流成分的振幅值电流成分的振幅值Udm、Idm。 dDDiIi dDDuUu +-+-ui1k R10V)(102sin1003mVui 直流等直流等效电路效电路DIDU+ +- -RVDDDU画直流等效电路，估算静态工作点。画直流等效电路，估算静态工作点。V 7 . 0D UmA 3 . 917 . 010DDDD RUVI 8 . 23 . 926:

20、d mAmVIUrDT动动态态电电阻阻画交流等效电路，估算振幅值。画交流等效电路，估算振幅值。didu+-+-uiRdr交流等交流等效电路效电路mArRUIdimdm1 . 08 . 21000100 mVrIUddmdm28. 08 . 21 . 0 注意：交直流分开计算，但两者有内在联系注意：交直流分开计算，但两者有内在联系。五、二极管应用电路的分析五、二极管应用电路的分析3、限幅电路、限幅电路+-uoui+-RD1D24、钳位电路、钳位电路+-uoui C+- -1、稳压电路（低压）、稳压电路（低压）UOUI2、整流电路、整流电路ui+- -DR+-uo如图所示，二极管击穿后，反向电流急

21、剧增加，但端电压几如图所示，二极管击穿后，反向电流急剧增加，但端电压几乎不变，表明二极管击穿后具有稳压功能。在安全限流条件乎不变，表明二极管击穿后具有稳压功能。在安全限流条件下，可以利用二极管的击穿特性制成稳压管。下，可以利用二极管的击穿特性制成稳压管。iD/mAuD/ViD/ A1 1、稳压管的工作特点、稳压管的工作特点正常情况下，稳压管应该工正常情况下，稳压管应该工作在作在反向电击穿反向电击穿 状态。状态。2 2、稳压管的电路符号、稳压管的电路符号1.4 1.4 稳压管及其应用稳压管及其应用(1) 稳定电压稳定电压UZ（选管的主要依据）（选管的主要依据）(3) 动态电阻动态电阻rZ 在规定

22、的稳压管反向工作电流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。下，所对应的反向工作电压。rZ = UZ / IZ；(2)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小和最小稳定工作电流稳定工作电流 IZmin(4)稳定电压温度系数稳定电压温度系数3 3、稳压管的主要参数、稳压管的主要参数 ZZrI雪崩管雪崩管 为正；为正；齐纳管齐纳管 为负。为负。UZU IZminIZmax AUZ,minZII ,maxZII 稳压性能变差；稳压性能变差；易过热（产生热击穿）；易过热（产生热击穿）；rZ 越小，稳压性能越好，一般为几越小，稳压性能越好，一般为几 到几十到几十 )/(TUZ

23、 4 4、稳压管的电路模型、稳压管的电路模型正常工作时，稳压管的电路模型如下：正常工作时，稳压管的电路模型如下： rZUZDZ相当于一个电源为相当于一个电源为UZ，内阻为，内阻为rZ的恒压源。的恒压源。;IRURUUmaxZmaxLZZaxIm minZminLZZinImIRURUU UIUO（1）R的作用：限流的作用：限流RRLDZUZIZ+-UO+-ILUI整流整流滤波滤波电路电路IRR的取值应使的取值应使maxminZZZIII （2）限流电阻）限流电阻R的确定的确定UI最大且最大且RL最大时，最大时， IZ取得最大值，应小于取得最大值，应小于IZmax：UI最小且最小且RL最小时，最

24、小时， IZ取得最小值，应大于取得最小值，应大于IZmin：5 5、 稳压管稳压电路稳压管稳压电路ZOUU UIUO（1）R的作用（限流）的作用（限流）RRLDZUZIZ+-UO+-ILUI整流整流滤波滤波电路电路IRR的取值应使的取值应使maxminZZZIII （2）限流电阻）限流电阻R的确定的确定5 5、 稳压管稳压电路稳压管稳压电路ZOUU （3）注意问题）注意问题minLZminZminLZinImmaxLZmaxZmaxLZaxImRUIRUURRUIRUU 外接电源的极性和大小应保证稳压管工作在反向击穿区。外接电源的极性和大小应保证稳压管工作在反向击穿区。负载应与稳压管并联。负载

25、应与稳压管并联。应该接限流电阻。应该接限流电阻。阶段性小结阶段性小结u二极管由一个二极管由一个PN结构成，具有单向导电性。结构成，具有单向导电性。)1(/ TUueIiDSD0uDiDUon死区死区SI反向反向击穿击穿BRU正向正向特性特性反向反向特性特性u普通二极管与稳压二极管的工作状态不同，主要参普通二极管与稳压二极管的工作状态不同，主要参 数、电路模型和应用也不同。数、电路模型和应用也不同。正常工正常工作状态作状态主要参数主要参数电路电路模型模型应用应用普通普通二极管二极管正向导通或正向导通或反向截止反向截止最大平均整流电流最大平均整流电流 IF最大反向工作电压最大反向工作电压 VR反向

26、饱和电流反向饱和电流 IS最高工作频率最高工作频率 fmax直流模型；直流模型；交流小信号交流小信号模型模型整流整流限幅限幅钳位钳位检波检波稳压稳压二极管二极管反向（电）反向（电）击穿状态击穿状态稳定电压稳定电压UZ最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax最小稳定工作电流最小稳定工作电流IZmin动态电阻动态电阻rZ内阻为内阻为rZ的的恒压源恒压源稳压稳压讨论：如何判断电路中二极管的工作状态讨论：如何判断电路中二极管的工作状态V12 V V22 V D1D2R11.0kUO2V2V-2V-2V0 0=-2V=-2V【例题】如图所示电路中，输入电压【例题】如图所示电路中，输入电压UI=20V，采用，采用2CW15稳压管，稳压管，UZ=8V，正向压降为，正向压降为0.7V，试问每，试问每种电路的输出电压种电路的输出电压UO的大小各为多少？的大小各为多少？【例题】【例题】在图示电路中，已知稳压管在图示电路中，已知稳压管Dz1和和Dz2的的稳定电压分别为稳定电压分别为8V和和6V,且具有理想稳压特性，则且具有理想稳压特性，则