《电路与电子技术》课件第7章

第7章半导体二极管及其应用7.1半导体二极管7.2稳压二极管7.3特殊二极管简介习题9

1.半导体二极管的结构和符号

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗等。纯净的半导体又称为本征半导体，其原子排列整齐有序，呈晶体结构。半导体材料有几个重要性质，如热敏特性、光敏特性和掺杂特性。

掺杂特性是指在半导体中掺入微量元素后，其导电能力大为提高，且在本征半导体中掺入不同的微量元素后，就会得到不同性质的半导体材料。7.1半导体二极管例如，在本征半导体硅中掺入微量磷元素，就会形成电子型半导体，又称为N型半导体；掺入微量硼元素，就会形成空穴型半导体，又称为P型半导体。把N型半导体和P型半导体结合在一起，其界面处就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。将PN结装上电极引线和管壳，就是半导体二极管，又称晶体二极管，简称二极管，其结构和符号如图7.1所示。

图7.1二极管的结构和符号(a)结构示意图；(b)符号

2.半导体二极管的单向导电性

二极管最为重要的特性是其单向导电性，即加正向电压(也叫正偏电压)导通，如图7.2(a)所示，二极管的阳极接电源正极，阴极接电源负极，此时灯亮；加反向电压(也叫反偏电压)截止，如图7.2(b)所示，二极管的阴极接电源正极，阳极接电源负极，此时灯不亮。

图7.2二极管的单向导电性(a)正偏导通；(b)反偏截止

3.半导体二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是指二极管通过的电流与其端电压之间的关系，如图7.3所示。

从图7.3可看出：

(1)二极管的伏安特性是一条曲线，这表明二极管是非线性元件。

(2)当二极管两端的电压较小时，二极管中没有电流，即二极管不导通，这一段称为死区。硅管的死区电压为0.5V，锗管为0.1V。

(3)电压大于死区电压后，电流急剧增大，这时二极管导通。硅管的导通电压约为0.7V，锗管约为0.3V。

图7.3硅二极管的伏安特性

(4)当二极管两端加反向电压时，管中会有很小的反向电流，且随着反向电压的增加，反向电流基本保持不变，称为反向饱和电流。硅管的反向饱和电流为几到几十微安，锗管为几十到几百微安。由于半导体的热敏特性，反向饱和电流会随着温度的升高而增大，通常温度每升高10℃，反向饱和电流约增大一倍。

(5)当反向电压过大时，其反向电流剧增，称为二极管反向击穿，击穿时二极管由于过热可能烧坏。

4.半导体二极管的主要参数

(1)最大整流电流IF。它是二极管允许长期通过的最大正向平均电流。有些电流较大的二极管必须按规定加装散热片，否则可能因过热而烧坏。

(2)最高反向工作电压URM。它是二极管工作时允许承受的最大反向工作电压，实际使用时其反向工作电压不要超过这一数值，以免造成二极管反向击穿而损坏。

(3)最高工作频率fM。超过这个频率，二极管将失去单向导电性。

此外，还有反向电流、正向电压等参数。

5.二极管的应用

利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅等功能。

1)二极管整流电路

二极管最基本的应用是整流，即把交流电转换成脉动的直流电。图7.4(a)所示为二极管半波整流电路。若忽略二极管的死区电压和反向饱和电流，则可把二极管看成理想二极管，即把二极管作为一个开关，当输入电压为正半周时，二极管导通(相当于开关闭合)，uo=ui；当输入电压为负半周时，二极管截止(相当于开关打开)，uo=0。其输入、输出电压波形如图7.4(b)所示。

图7.4二极管半波整流电路(a)电路；(b)输入、输出电压波形

2)二极管限幅电路

限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化加以限制的电路，常用于波形变换和整形，如图7.5(a)所示。设ui=5sinωtV，E=2V，当ui>E时，二极管导通，uo=E=2V；当ui<E时，二极管截止，电阻R中没有电流，uo=ui。二极管限幅电路的输入、输出电压波形如图7.5(b)所示，显然电路把输出电压的正峰值限制为2V。

图7.5二极管限幅电路(a)电路；(b)输入、输出电压波形

1.稳压二极管的伏安特性

稳压二极管实际上也是一种面接触型硅二极管，简称稳压管，其伏安特性及符号如图7.6所示。

从图中可看出，稳压管的伏安特性与普通二极管相似，但稳压管工作在反向击穿状态，即对应于特性曲线的AB段，称为击穿区。稳压管中的PN结经过了特殊处理，即使长时间工作在击穿区也不会损坏，一旦除去外加反向电压，PN结仍能恢复原状。特性曲线AB段的特征是：当电流有较大变化时，稳压管两端的电压变化却很小，这一特性可用于稳压。7.2稳压二极管

图7.6稳压管的伏安特性及符号

(a)伏安特性；(b)符号

2.稳压管的主要参数

(1)稳定电压UZ。UZ指稳压管正常工作时(反向击穿状态)管子的端电压，一般为3~25V，高的可达200V。

(2)稳定电流IZ和IZmax。IZ指稳压管正常工作时的电流，IZmax指稳压管允许通过的最大反向电流。

(3)额定功耗PZ。PZ指保证稳压管安全工作所允许的最大功率损耗，且

PZ=UZIZmax

图7.7稳压管稳压电路3.稳压管的应用

稳压管主要用于构成稳压电路，如图7.7所示。

1)工作原理

稳压电路的稳压原理如下：当交流电源电压升高，引起稳压电路的输入电压Ui增大时，输出电压(即稳压管上的电压)Uo增加，这时稳压管的电流增加，使得电阻R上的电流增大，电阻R上的电压也增大，电阻R上的电压增量基本抵消了Ui的增量，所以输出电压Uo基本上可以保持不变，反之亦然。

2)电路元件的选择

稳压管的选择：稳压管IZ必须满足IZ<IZmax，稳压管的稳压值UZ应等于负载所需电压Uo(稳压管的稳定电压和稳定电流值可查晶体管手册)。多个稳压二极管也可串联使用，以获得较高的Uo值，但要注意稳压管不能并联使用。

限流电阻R的选择：若R的阻值太大，则造成稳压管不能击穿而失去稳压作用；若R的阻值太小，则负载较轻时可能会烧毁稳压管。

选择R的阻值有两个原则：

(1)当Ui最大而IL最小时，R应满足Uimax≤Uo＋R(IZmax＋ILmin)；

(2)而当Ui最小而IL最大时，R应满足Uimax≥Uo＋R(IZmax＋ILmin)。

除了普通二极管和稳压二极管外，还有一些特殊二极管，如发光二极管、光电二极管、变容二极管等。下面分别予以简单介绍。

1.发光二极管(LED)

发光二极管是一种能将电能转换成光能的特殊二极管，它的符号如图7.8所示。发光二极管的基本结构是一个PN结，通常是用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物如砷化镓、磷化镓等

制成的。7.3特殊二极管简介

图7.8发光二极管的符号它的特性曲线和普通二极管相似，但正向导通电压一般为1～2V。当对管子施加正向电压时，会发出一定波长的可见光，光谱范围比较窄，其波长由所用材料决定。波长不同，所发光的颜色也不同，常见的LED有红、绿、黄等颜色。发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式发光二极管，工作电流一般在几毫安至十几毫安之间。

图7.9光电二极管的符号

2.光电二极管

光电二极管在管壳上有一个玻璃窗口以便于接受光照，它的反向电流随着光照强度的增加而上升。图7.9是光电二极管的符号。其主要特点是反向电流与光照度成正比。

光电二极管可应用于光的测量。当制成大面积的光电二极管时，光电二极管可作为一种能源使用，称为光电池。

图7.10变容二极管的符号

3.变容二极管

二极管存在着PN结电容，结电容的大小除了与二极管的结构和工艺有关外，还随反向电压的增加而减小，利用这种特性可制成变容二极管。

图7.10所示为变容二极管的符号。不同型号的管子，其电容的最大值为5～300pF。变容二极管的最大电容与最小电容之比约为5∶1。变容二极管在高频技术中应用较多。

1.题图7.1所示的各电路中，二极管为理想二极管。试分析二极管的工作状态，求出流过二极管的电流。

题图7.1习题7

2.题图7.2中,D1、D2都是理想二极管，求电阻R中的电流和电压U。已知R=6kΩ，U1=6V，U2=12V。

题图7.2

3.题图7.3中，D1、D2均为理想二极管，直流电压U1>U2，ui、uo是交流电压信号的瞬时值。试求：

(1)当ui>U1时，uo的值

(2)当ui<U2时，uo的值

题图7.3

4.在题图7.4所示电路中，U=5V，ui=10sinωtV，D为理想二极管，试画出电压uo的波形。

题图7.4

5.两个稳压管DZ1和DZ2的稳压值分别为8.6V和5.4V，正向压降均为0.6V，设输入电压Ui和R满足稳压要求。

(1)要得到6V和14V电压，试画出稳压电路；

(2)若将两个稳压管串联连接，可有几种形式？各自的输出电压是多少？

6.题图7.5所示为稳压管稳压电路。负载电阻RL由开路变到2k