电路与电子学42

1、4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型l 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。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、面接触型和平面型三大类。管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。l (1) 点接触型二点接触型二极管极管(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 PN结面积小，结面积小，结电容小，用于检波结电容小，用于检波和变频等高频电路。和变频等高频电路。1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型 PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流

2、整流电路。(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底 往往用于集成电往往用于集成电路制造中。路制造中。PN 结面积结面积可大可小，用于高频可大可小，用于高频整流和开关电路整流和开关电路中。中。 (3) 平面型二平面型二极管极管 (2)面接触型二面接触型二极管极管(4) 二极管的代表二极管的代表符号符号(b)(b)面接触型面接触型阳极阳极阴极阴极半导体二极管外型图VmAVDRRW（a）测正向特性）测正向特性2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 l 二极管的伏安特性的测出。二极管的伏安特性的测出。VmAVDRRW（b）测反向特性）测反向特性(a)二极二极

3、管伏管伏安特性安特性CDoBAUBRuDiDD/DS(1)TUUiI e 正向特性正向特性l 死区电压死区电压：硅管：硅管 0.5V 锗管锗管 0.1Vl 线性区线性区：硅管：硅管 0.6V1V 锗管锗管 0.2V0.5V l 对温度变化敏感：对温度变化敏感：l 温度升高温度升高正向特性曲线正向特性曲线左左移移l 温度每升高温度每升高1正向压降减正向压降减小约小约2mV。(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性正向正向特性特性CDoBAUBRuDiD 反向特性反向特性l 反向电流：很小。反向电流：很小。 硅管硅管 0.1微安微安 锗管锗管 几十个微安几十个微安l 受温度影响大：受温度影响大：

4、 温度每升高温度每升高10 反向电流增加约反向电流增加约1倍。倍。 反向击穿特性反向击穿特性l 反向击穿反向击穿UBR:几十伏以上。几十伏以上。(a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性反向击反向击穿特性穿特性CDoBAUBRuDiD反向反向特性特性DDDIUR 3 二极管的主要参二极管的主要参数数1）、直流电阻RD RD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即 RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压增大而增大。 显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD 。 RD1RD22）、交流电阻）、交流电阻rD rD定义为：二极管在其工作状态(ID

5、Q,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即DQDQDQDQUIUIDdiduIUr, rD的几何意义见左图 ，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。 /26TTTDQQu USDQDQUUdurdiI eII/DS(1)Tu UiI erD可以通过对式 求导得出，即二极管交流电阻rD的几何意义室温条件下(T=300K):26TUV 4) 、最高反向工作电压最高反向工作电压 UDRM 它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是一般是反向击穿电压的一半或三分之二。反向击穿电压的一半或三分之二。3) 、最大整流电流最大整

6、流电流 IFM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管的最大正向平均电流。5) 、 最大反向电流最大反向电流 IRM 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 6）、最高工作频率）、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。 4. 二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用 l 二极管特性曲线的非线性，给二极管电路的分析带来二极管特性曲线的非线性，给二极管电路的分析带来一定困难。为了简化分析，常常要做一些近似

7、处理，一定困难。为了简化分析，常常要做一些近似处理，可用某些线性电路元件来等效二极管，画出二极管的可用某些线性电路元件来等效二极管，画出二极管的等效电路。等效电路。l 最常用的近似方法有二最常用的近似方法有二种。种。 理想二极管等效电路理想二极管等效电路 考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路 理想二极管等效电路理想二极管等效电路uDiDoDK理想二极管等效电路理想二极管等效电路l 如果如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，流，则可以忽略二极管

8、的正向压降和反向电流，把二则可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。极管理想化为一个开关，如图所示。 考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路l 二二极管的极管的正向压降正向压降UD变化不大（例如硅管约为变化不大（例如硅管约为0.60.8V），可），可近近似认为似认为二极管正向导通时有一个二极管正向导通时有一个固定固定的管压降的管压降UD（硅管取（硅管取0.7V，锗管取，锗管取0.2V），于是），于是可用可用一固定电压源来等效正向导通的二极管一固定电压源来等效正向导通的二极管。l 当当外加电压外加电压UUD，因此常近似为UD = 0，可以用理想二极管等效电路

9、来分析电路的工作原理。l 当交流电源u0时，二极管Dl、D3导通，相当于开关闭合；D2、D4截止，相当于开关断开，如图 (b)所示。因此输出电压uO = u。uuo+_RLD4D2 D1D3ioAB（b）+-uo+_u+_RLD4D2 D1D3ioAB（a）l 当当u 0且且uUR+UD时时，二极，二极管管D导通，开关闭合，导通，开关闭合，输出电压输出电压UO = UR十十UD。l 如右上图所示当如右上图所示当u 8V，二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui V阴阴 二极管导通二极管导通若设若设 UD=0.7V，则，则 UAB低于低于6V一个管压降，一个管压降，UA

10、B= 6.7V两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起取取 B 点作参考点，点作参考点，断开二极管断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳阳 =6 V，V2阳阳=0 V，V1阴阴 = V2阴阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通优先导通， D1截止。截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V例例D1承受反向电压为承受反向电压为6 V流过流过 D2 的电流为的电流为mA43122D I求：求：UAB 在这里，在这里， D2 起钳起钳位作用，位作用， D1起隔离起隔离作

11、用。作用。 BD16V12V3k AD2UAB+UO11.3VUO20VUO3-1.3VUO42VUO51.3VUO5-2V导通导通截止截止导通导通截止截止导通导通截止截止设二极管的压降为设二极管的压降为0.7V，试分析下列各电路输出电压，试分析下列各电路输出电压为多少？为多少？5. 稳压二极管稳压二极管l 它的伏安特性与二极管基本相同，只是稳压管正常工它的伏安特性与二极管基本相同，只是稳压管正常工作时是作时是利用特性曲线的反向击穿区利用特性曲线的反向击穿区。l 电电流有很大改流有很大改变而电压基本不变的特性称为变而电压基本不变的特性称为稳压特性稳压特性，稳压管就是利用这一特性工作的。稳压管就

12、是利用这一特性工作的。UIOUZIZ UZ IZIZM（b）阴极阴极阳极阳极（a）l 稳压二极管亦称稳压二极管亦称齐齐纳二极管纳二极管(Zener Diodes)，工工作在作在PN结的反向击穿结的反向击穿区区。（ V o l t a g e Regulators）。）。 l 稳压管的符号和特稳压管的符号和特性曲线如图所示。性曲线如图所示。1 1、稳、稳压管的主要参数：压管的主要参数： 稳定电压稳定电压UZl UZ是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。l 例如稳压管例如稳压管2CWl的稳定电压是的稳定电压是78.5V。由于工艺上。由于工艺上的困难，同一型号的管子

13、，稳定电压值有一定的分散的困难，同一型号的管子，稳定电压值有一定的分散性，就是说，同样都是性，就是说，同样都是2CWl型的管子，一个稳定电型的管子，一个稳定电压是压是7V，而另一个却可能是，而另一个却可能是8.5V。动态电阻动态电阻rZl rZ是稳压管在稳定工作范围内管子两端电压的变化是稳压管在稳定工作范围内管子两端电压的变化量与相应电流变化量之量与相应电流变化量之比即比即l rZ越小，表示稳压作用越好越小，表示稳压作用越好。一个稳压管。一个稳压管rZ的大小与的大小与工作电流有关，工作电流越大，工作电流有关，工作电流越大，rZ越小。越小。ZZZUrI稳定电流稳定电流IZl 稳定电流稳定电流IZ

14、是稳压管工作时的参考电流数值，手册上给是稳压管工作时的参考电流数值，手册上给出的稳定电压和动态电阻都是指在这个电流下的值。出的稳定电压和动态电阻都是指在这个电流下的值。l 工作电流若小于稳定电流工作电流若小于稳定电流IZ，则，则rZ增大，稳压增大，稳压性较性较差；差；l 工作电流工作电流若大于稳定电流，若大于稳定电流，rZ减小，稳压性能较好减小，稳压性能较好，但，但是要注意管子的功率损耗不要超出允许值。是要注意管子的功率损耗不要超出允许值。 额定功耗额定功耗PZMl PZM是由管子允许温升限定的最大功率损耗。是由管子允许温升限定的最大功率损耗。l 如果已知管子的稳定电压值，那么额定功耗除以稳定

15、如果已知管子的稳定电压值，那么额定功耗除以稳定电压就是该稳压管允许的最大稳定电流电压就是该稳压管允许的最大稳定电流IZM=PZM/UZ。超过这个电流使用，就可能损坏管子。超过这个电流使用，就可能损坏管子。电压温度系数电压温度系数l 温度变化温度变化1时，稳定电压变化的百分数时，稳定电压变化的百分数，定义为电，定义为电压温度系数。它是表示稳压管温度稳定性的参数。压温度系数。它是表示稳压管温度稳定性的参数。l 电压温度系数越小，温度稳定性越好。电压温度系数越小，温度稳定性越好。l 通常，通常，稳定电压稳定电压UZ低于低于4V的管子，温度系数是负的的管子，温度系数是负的（齐纳击穿），高于（齐纳击穿）

16、，高于6V的管子，温度系数是正的的管子，温度系数是正的（雪（雪崩击穿），而崩击穿），而稳定电压在稳定电压在4V6V左右的管子，温度系数左右的管子，温度系数最小，接近于零最小，接近于零。所。所以，要求温度稳定性较高的场合常以，要求温度稳定性较高的场合常选用选用6V左右的管子左右的管子。 l 为了制造温度系数小的管子，可采取温度补偿措施。为了制造温度系数小的管子，可采取温度补偿措施。例如例如2DW7系列的稳压管就是这种管子，它是由二个系列的稳压管就是这种管子，它是由二个稳压值相同的管子反向串联起来的，如图所示。稳压值相同的管子反向串联起来的，如图所示。123具有温度补偿的稳压管图具有温度补偿的稳压

17、管图l 工作时一个管子处于正向，有工作时一个管子处于正向，有负温度系数，另一个管子处于负温度系数，另一个管子处于反向，有正温度系数，二者互反向，有正温度系数，二者互相补偿，将相补偿，将1、2两端的电压温两端的电压温度系数减到很小的程度。度系数减到很小的程度。稳稳压二极压二极管的温度补偿管的温度补偿2 2、稳、稳压管的应用电路压管的应用电路l 为了限制稳压管击穿以为了限制稳压管击穿以后的电流，使用时必须后的电流，使用时必须在电路中串联电阻如图在电路中串联电阻如图所所示。示。RzUzDzI+-U+-稳压管电路稳压管电路l UUZ时，稳压管击穿时，稳压管击穿l 必须适当选择必须适当选择R值，使得值，使得IIZM。l R称为限流电阻。称为限流电阻。 ZUUIR稳压二极管工作原理稳压二极管工作原理 + R - IR + - RL IO UO UI IZ DZ 输出电压稳定的条件ZLLIURRRUUI不稳定RL改变oIUUIRoIUUIRLLLLLLLLLLLLLoULRoUZUZIIIRLLLLLLLLLLLLLoUIUIRIZIZUoUl 在不需考虑稳压管的电压在不需考虑稳压管的电压变化量的情况下