模拟电子技术及应用第1章 半导体二极管及其应用

第1章半导体二极管及其应用1.1

二极管的结构、特性及其基本应用1.2特殊二极管及其基本应用1.3二极管的综合应用本章小结了解杂质半导体与PN结的基本知识。了解二极管的结构，熟悉其电路符号、单向导电性，理解二极管的伏安特性及主要参数，掌握其应用。熟悉稳压二极管的电路符号、工作特点及应用。了解发光二极管、光电二极管和变容二极管的电路符号、工作特点及其应用。学会二极管识别与检测的基本方法，了解二极管的使用知识。教学目标半导体二极管简称二极管常温下导电能力很差掺杂可控制其导电能力对温度、光照敏感普通二极管：整流、检波、开关二极管等特殊二极管：稳压、发光、光电、变容二极管等二极管的伏安特性、单向导电性、基本应用；特殊二极管的特点、基本应用。引言半导体——导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，常用于制造半导体器件的材料为硅（Si）、锗（Ge)等。半导体导电特点二极管分类本章重点第1章半导体二极管及其应用1.1二极管的结构、特性及其基本应用1.1.1二极管的结构与类型1.1.2二极管的特性及主要参数1.1.3二极管的基本应用1.1.1二极管的结构与类型一、结构与符号正极负极二、二极管的类型构成PN结+引线+管壳=二极管分类按材料分硅二极管、锗二极管按结构分点接触型、面接触型、平面型按功能分普通二极管、特殊二极管空间电荷区内电场本征半导体—纯净的单晶半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动知识拓展1、本征半导体两种载流子电子(自由电子)带负电空穴带正电两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：（1）本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；

（2）

半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

（3）

本征半导体导电能力弱，并与温度有关。N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—

多子电子—

少子载流子数

空穴数施主离子施主原子受主离子受主原子2、

杂质半导体杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体I

INP型半导体

I

IPP型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子+–PN结(PNJunction)的形成（1）

载流子的浓度差引起多子的扩散（2）

复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)

空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。（3）扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，

总电流I=0。内建电场3、PN结PN结的单向导电性（1）外加正向电压(正向偏置)P区N区内电场+

UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子

I多子（2）

外加反向电压(反向偏置)P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;

反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子

01.1.2二极管的特性及主要参数一、二极管的单向导电性允许一个方向电流流通的特性称为单向导电性（1）外加正向电压(正向偏置)（2）

外加反向电压(反向偏置)反偏截止，电阻很大，电流近似为零。正向导通，呈小电阻，电流较大。二、二极管的伏安特性曲线OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)uD

UthiD急剧上升0uD

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性IS-U

(BR)反向击穿U(BR)

uD

0iD=IS<0.1A(硅)

几十A

(锗)uD

<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)1、正向特性2、反向特性3、反向击穿特性反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(击穿电压<6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压>6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性4、硅管与锗管特性比较：604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/VUthIsiD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020UthIs死区电压和导通电压大，反向电流小，单向导电性和温度稳定性好死区电压和导通电压小，反向电流大，单向导电性和温度稳定性较差。5、温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

每升高10℃，反向电流约增大一倍T升高，UD(on)以(22.5)mV/C下降T过高，PN结会消失三、二极管的主要参数iDuD-U

(BR)IFURMOIF—

最大整流电流(最大正向平均电流)1URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/22IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)3

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)4影响工作频率的原因—PN结的电容效应

结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。1.1.3二极管的基本应用一、二极管的开关作用二极管正偏要求U>>UD(on)二极管反偏开关闭合开关断开考虑到导通电压UD(on)的影响，开关闭合后电路二极管正偏，考虑到导通电压UD(on)的影响，开关闭合后的等效电路UD(on)例1.1.4

硅二极管，U

=10V,R=2k，求出ID和UR

URUIDRURUIDR[解]ID=U/R=10/2

=5mAUD=100.7=9.3VID=9.3/2=4.65mAURUIDRU

大，不考虑UD(on)

的影响U小，应考虑UD(on)

的影响UD=10V(1)(2)考虑UD(on)

的影响二、二极管应用电路举例将交流电压变为直流电压称为整流半波整流电路Ui为正半周，VD接通，Uo=UiUi为负半周，VD断开，Uo=01、整流电路2、限幅电路Ui≥UREF，二极管导通，UO=UREFUi<UREF，二极管断开，UO=Ui输出电压顶部被限幅而削平二极管双向限幅电路如图所示，已知ui=2sin

t(V)，分析二极管的限幅作用。ui较小VD1VD2uiuOR－0.7V<ui<0.7VVD1、VD2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VVD1导通,

VD2截止ui≤

0.7VVD2导通,VD1截止uO=0.7VOtuO/V0.7Otui

/V20.7例1.1.5二极管正向导通UO=2UD(on)≈1.4V3、低电压稳压电路VD1、VD2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时UAUBUOR3kW12VVDDVD1VD2BAY输入电压理想二极管输出电压UAUBVD1VD20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V4、二极管与门电路UA、UB均为高电压时，Y端输出为高电压，只要有一个输入为低电压，则输出为低电压，实现了与功能。第1章半导体二极管及其应用1.2特殊二极管及其基本应用1.2.1稳压二极管1.2.2发光二极管与光电二极管1.2.3变容二极管1.2.1稳压二极管一、稳压二极管的符号、特性与主要参数符号iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性主要参数稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。稳定电流IZ

工作电压等于UZ是所对应的电流值；越大稳压效果越好，小于Imin

时不稳压。最大工作电流IZM、最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM动态电阻rZ=UZ/IZ几几十，rZ越小稳压效果越好。反向击穿工作条件一般，UZ<4V，CTV<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ>7V，CTV>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<UZ<7V，CTV很小。电压温度系数CTV

二、稳压二极管的稳压电路IR=IDZ+ILUO=UI

–IRR当UI波动时(RL不变)当RL变化时(UI不变)UIUORRLILIRIDZR为限流电阻，RL为负载电阻反之亦然反之亦然三、稳压二极管的稳压电路实例UIUORRLILIRIDZ47Ω2CW107UI=12~13.6VIL=0～56mAUO=9V电阻R选用1W金属膜电阻2CW107：UZ=8.5～9.5V，IZM=100mA，IZ=5mA例1.2.1在稳压电路实例中：(1)当输入电压UI(min)=12V,负载电流IL(max)=56mA,求IDZ=?(2)当输入电压UI=13.6V，负载电流IL=0mA，求IDZ=?及R所承受的功耗。解：(1)(2)1.2.2发光二极管与光电二极管一、发光二极管LED一般工作电流几到几十mA，导通电压(1.73.5)V发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：不可见光：红外光点阵LED符号u/Vi

/mAO2特性七段LED普通LED，应用电路基本电路交流驱动电路脉冲信号驱动电路正向偏置工作条件二、光电二极管1．符号符号实物照片2.光电耦合器反向偏置工作条件1.2.3变容二极管利用PN结的电容特性制成的二极管称为变容二极管，反偏时它的反向电阻很大，近似开路，其容量随加于PN结两端反向电压的增加而减小。-uD

/VC

/pFOuD

符号特性第1章半导体二极管及其应用1.3二极管的综合应用1.3.1二极管的使用常识1.3.2二极管综合应用实例1.3.1二极管的使用常识一、二极管的命名方法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字“2”表示器件有两个电极用字母表示器件的材料和极性用字母表示器件的类型用数字表示器件序号用字母表示规格号A|N型锗材料B|P型锗材料C|N型硅材料D|P型硅材料P―普通管K―开关管W―稳压管Z―整流管U―光电管国产示例：2CZ52B表示硅材料整流二极管国外二极管型号示例1N4001PN结的数目（二极管为1个PN结）EIA注册标志EIA（美国电子工业协会）登记顺序号二、二极管的选用与检测2.二极管识别与检测1.二极管的选用（见教材P16）（1）

正负极性的识别（2）

用模拟万用表检测判断在R1k挡进行测量，红表笔是(表内电源)负极，黑表笔是(表内电源)正极。测量时手不要接触引脚。一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。1k000(3)

用数字式万用表检测判断红表笔是(表内电源)正极，黑表笔是(表内电源)负极。2k20k200k2M20M200在

挡进行测量，当PN结完好且正偏时，显示值为PN结两端的正向压降(V)。反偏时，显示•

。1.3.2二极管综合应用实例过流保护熔丝电源变压器用以降压交流电源指示交流开关合上发红光桥式整流将交流电压变成脉动直流电压电容滤波滤除交流平滑输出电压直流电压输出指示有直流电压输出发绿光稳压电路稳定输出电压一、电路组成与工作原理交流输入电压U1=220V（有效值）变压器二次侧电压U2=9V（有效值）整流滤波输出电压平均值UI=1.2×9=10.8V稳压电路直流输出电压UO=5V桥式整流过程（a)u2正半周，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，uI=u2（a)u2负半周，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，uI=-u2整流滤波