《模拟电子技术》课件项目1二极管及其应用

本项目引入：（1）示例常用电子器件，（2）示例电子技术应用场合，（3）交流电源、直流电源，相互转换。重点、难点学习目的

要知道：N型和P型半导体的区别、PN结的导电特性、硅和锗二极管阈值电压和正向导通电压值、温度对二极管特性和参数的影响、常用特种二极管以及倍压整流使用要点。会计算：用等效电路法计算二极管电路参数；单相桥式整流电路、单相桥式整流电容滤波电路的输出电压、输出电流。会画出：单相桥式整流电容滤波电路、二极管限幅电路的输出波形。会确定：选用二极管、滤波电容、变压器所依据的主要参数。会分析：单相桥式整流电容滤波电路中故障原因。会判断：用万用表判断二极管管脚极性和质量好坏。学习目的

半导体二极管第

1

章1.1

半导体的基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结第一章半导体二极管微观世界对器件理解很重要－自主学习第一章半导体二极管

常用的导体一般为银、铜、铝等物体；绝缘体为橡胶、塑料、胶木等；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。

用来制造半导体器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。

半导体材料进行特殊加工，使其成为性能可控，即可用来制造构成电子电路的基本元件—半导体器件。

自然界中的物质根据导电能力的不同分为导体、绝缘体和半导体。一、本征半导体本征半导体

—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。半导体中的载流子有两种，自由电子和空穴。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第一章半导体二极管本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。第一章半导体二极管两种载流子电子(自由电子)空穴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.本征半导体中电子和空穴成对出现，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。第一章半导体二极管二、杂质半导体－重组家庭小孩自由散漫程度高（一）N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

在本征半导体中掺入微量杂质元素，掺杂后的半导体称为杂质半导体。可分为N型半导体和P型半导体。施主离子施主原子第一章半导体二极管受主离子+3+4+4+4+4+4（二）P型半导体P型空穴硼原子空穴—

多子电子—

少子载流子数

空穴数受主原子注意:

杂质半导体中载流子虽有多少之分，由于还有不能移动的杂质离子，因而整个半导体仍呈电中性。第一章半导体二极管ＰＮ结1.理解器件原理的基础（微观理论模型）；2.实用上记结论、凭经验。三、

PN结（一）PN结的形成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。内建电场第一章半导体二极管（二）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

0第一章半导体二极管1.2

半导体二极管的特性及主要参数一、二极管的结构与符号二、二极管的伏安特性三、二极管的主要参数四、二极管电路的分析方法第一章半导体二极管一、半导体二极管的结构构成：PN结+引线+管壳=二极管符号：VD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点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底第一章半导体二极管二、二极管的伏安特性OuV/ViV/mA正向特性Uth死区电压iV

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)U

UthiV急剧上升0

U

Uth

Uth

=(0.6

0.8)V硅管0.7V(0.1

0.3)V锗管0.2V反向特性IRUBR反向击穿UBR

U

0iV=IR<0.1

A(硅)

几十

A(锗)U<

UBR反向电流急剧增大(反向击穿)第一章半导体二极管反向击穿类型：电击穿热击穿特别注意：

温度对二极管的特性有显著影响。当温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。变化规律是：在室温附近，温度每升高1℃，正向压降约减小2～2.5mV，温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。第一章半导体二极管温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50IV

/mAUV/V20C80CT

升高时，UV(th)以(2

2.5)mV/

C下降第一章半导体二极管硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50IV

/mAUV/VIV

/mAUV

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020第一章半导体二极管三、二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为UBR/23.

IR

—

反向饱和电流(越小单向导电性越好)IVUVU(BR)IFURMO4.

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)第一章半导体二极管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。第一章半导体二极管四、二极管电路的分析方法1、理想模型特性uViV符号及等效模型SS2、恒压降模型uViVUthuv=Uth0.7V(Si)0.2V(Ge)Uth3、二极管的折线近似模型uvivUth

U

I斜率1/rDrvUth第一章半导体二极管4、小信号模型如果二极管在它的伏安特性的某一小范围内工作，例如静态工作点Q（此时有。

如果二极管在它的伏安特性的某一小范围内工作，例如静态工作点Q附近工作，则可把伏安特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻。

univ等效电路模型伏安特性第一章半导体二极管1.2.3二极管的应用电路一、整流电路二、钳位电路三、限幅电路四、元器件保护电路第一章半导体二极管一、整流电路所谓整流，就是将交流电变成脉动直流电。单相半波整流桥式全波整流二、钳位电路

钳位电路是指能把一个周期信号转变为单向的（只有正向或只有负向）或叠加在某一直流电平上，而不改变它的波形的电路。

第一章半导体二极管及应用正钳位电路输出波形输入波形OO第一章半导体二极管三、限幅电路

当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时,输出电压保持不变,这就是限幅电路。

上限幅下限幅上限幅电路下限幅电路第一章半导体二极管OOOOE=0V时0<E<UmV时-Um<E<0V时OO第一章半导体二极管四、元器件保护电路

在电子电路中常用二极管来保护其他元器件免受过高电压损害的电路。第一章半导体二极管1.2.4

特殊二极管一、稳压二极管二、发光二极管三、光敏二极管四、变容二极管五、激光二极管第一章半导体二极管一、稳压二极管（一）伏安特性符号iZ/mAuZ/VO

UZ

IZmin

IZmax

UZ

IZ

IZ（二）主要参数1.

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于IZmin时不稳压。3.动态电阻rZ几

几十

rZ=

UZ/

IZ

越小稳压效果越好。4.

最大工作电流IZM和最大耗散功率PZMPZM=UZIZmax第一章半导体二极管5.稳定电压温度系数一般，UZ<4V，稳压管具有负温度系数；UZ>7V，稳压管具有正温度系数；4V<UZ<7V，温度系数很小。aa是表示温度每变化1oC时稳压值的变化量。第一章半导体二极管【例】

分析简单稳压电路的工作原理;已知稳压管的稳定电压UZ=6V,最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流IZmax=25mA,负载电阻RL=600Ω,计算限流电阻R的取值范围。UIUORRLILIRIZIR=IZ+ILUO=UI

–IRR当UI波动时(RL不变)当RL变化时(UI不变)反之,也可维持UO稳定

。第一章半导体二极管为保证稳压管正常工作，无论如何都要满足IZmin＜IZ＜IZmax即：则有：经整理可得

：对于限流电阻R的取值必须满足：

Rmin＜R＜Rmax

第一章半导体二极管二、发光二极管1.符号和特性符号u/Vi

/mAO2工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(1

2)V。2.发光类型：可见光：红、黄、绿不可见光：红外光特别注意:

发光二极管的导通压降大于1V，一般红色发光二极管约为1.6～1.8V，黄色约为2.0～2.2V，绿色约为2.2～2.4V，工作时必须串接限流电阻。第一章半导体二极管第一章半导体二极管三、光电二极管符号uiO暗电流E=200lxE=400lx特性工作条件：反向偏置2.主要参数:暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长等实物照片四、变容二极管

变容二极管是利用PN结反偏时势垒电容大小随外加电压而变化的特性制成的。它主要用在高频电路中作自动调谐、调频、调相等。第一章半导体二极管1.2.5

二极管的检测及判断一、型号二、检测1、管脚2、好坏3、机械、数字万用表第一章半导体二极管1.3整流和滤波电路学习要点单相桥式整流电路的分析滤波电路的分析稳压电路的分析与设计开关稳压电源的分析与设计直流稳压电源电路结构电源变压器：将交流电网电压u1变为适合负载的交流电压u2。整流电路：将正弦交流电压u2变为单方向的脉动直流电压u3。滤波电路：将u3的高次谐波滤除后得到平滑性较好的纹波电压u4。稳压电路：使输出电压基本不受电网波动及负载变化的影响，从

而保持输出直流电压Uo具有较高的稳定。

电源变压器将交流电网220V的电压变为所需要的交流电压值，然后通过整流电路将交流电压变成单方向的脉动直流电压，通过滤波电路进一步减小其脉动成分，使输出电压波形变得平滑。经过整流和滤波后，交流电变成了直流电，通过稳压电路自动维持输出直流电压的稳定。2025/8/12一、二极管整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压单相半波整流电路

u2正半周，二极管VD导通，忽略管压降时，输出电压UO等于u2。VDIOTRLUOu2u1u2ωt0uoωt0u2

u2负半周，二极管VD反偏截止，UO等于0。电路实现了半波整流。2025/8/12单相半波整流电路2025/8/121、单相半波整流电路流过整流二极管的平均电流：二极管承受的反向峰值电为：

常用于整流电流较小、对脉动要求不高的电子仪器和家用电器中。电路特点：结构简单，输出电流适中；输出电压脉动较大，整流效率低。输出电压平均值：2025/8/122025/8/122、单相桥式整流电路由四个二极管构成的单相桥式整流电路VD3VD1VD2VD4RLTuiuituo tuo实际工程应用中通常采用简化的单相整流桥电路图u2uo2025/8/122025/8/12流过整流二极管的平均电流：二极管承受的反向峰值电为：

广泛应用于机床控制电路、自动控制电路和各种家用电器中。电路特点：输出电压较高；脉动成分减小，电路的整流效率提高。输出电压平均值：2025/8/12二、滤波电路1.电路组成桥式整流电容滤波电路及其波形2025/8/12桥式整流电容滤波电路结构特点：较大电解电容与负载RL相并联。输出电压的平均值UO(AV)≈1.2U2。2025/8/12电容滤波电路－工作原理

电容滤波电路利用了电容“通交流阻直流”的特点，将电容C与负载并联后，整流后的脉动直流电中大部分交流成分就会从电容上通过，而只有直流成分和少量交流成分从负载上经过，从而使得负载上的电压、电流变得平滑。电容滤波电路如图所示。2.工作原理1）不接RL的情况2）接负载RL的情况3）特点2025/8/12工作原理－对比实验u2上升且大于电容的极间电压uc时，u2对电容C进行充电，uo=uc

u2u2下降且小于电容电压时，二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降。

为使滤波效果良好，一般取电路中的时间常数:T是u2的周期，即：此时：2025/8/122025/8/12当负载开路时，时间常数τ趋近无穷大，输出：3.二极管承受的反向峰值电压：2.流过二极管的瞬时电流很大。

RLC越大

UO(AV)越大

负载电流IO(AV)越大;

整流二极管对电流呈现的动态电阻越小通过二极管的峰值电流就越大。正常情况下：电路特点：1.输出电压平均值UO(AV)的大小取决于时间常数RLC。RLC值愈大

电容器放电愈慢

UO(AV)值愈大。取RLC≥(3~5)T/2时，通常用于负载电压较高，负载变动不大的场合。2025/8/122．电感滤波的特点（1）桥式整流输出电压的平均值为（2）电感L与负载RL串联组成分压电路，L越大或RL越小，输出电压和电流的脉动越小，滤波效果越好。（3）由于电感上感生电动势总是阻止回路中电流的变化，延长了二极管在一个周期内的导通时间，增大了二极管的导通角。3其他滤波电路

如果电路对电源的平滑度要求比较高，仅使用电容滤波和电感滤波电路就不能满足要求，这时候可采用多个元件组成复式滤波电路。如图所示为电感L和电容C共同构成的LC滤波电路。3.主要参数1）输出电压平均值UO3）电容器的选择2）二极管的选择4.整流变压器的选择由负载RL上的直流平均电压UO与变压器的关系

UO≈1.2U2得出：在实际应用中,考虑到二极管正向压降及电网电压的波动，变压器副边的电压值应超出计算值的10%。变压器副边电流I2一般取(1.1~1.3)IL。2025/8/12整流的作用主要是什么？主要采用什么元件实现？最常用的整流电路是哪一种？思考与练习滤波电路的主要作用是什么？滤波电路的最重要元件是什么？什么是直流稳压电源，由哪几部分组成？2025/8/121.3.4晶闸管及可控整流电路（选学）1.晶闸管结构、原理、参数、应用2.晶闸管可控整流电路示例一、晶闸管的外型和结构晶闸管的外形图

晶闸管的结构、符号二、伏安特性示例：单相可控整流电路

一、阻性负载单相桥式半控整流电路

单相桥式半控整流电路及波形图1、直流稳压电源的组成1.4稳压电路2、稳压电路在直流稳压电源中的作用克服电源波动及负荷的变化，使输出直流电压恒定不变。3.稳压电路在直流稳压电源中的要求（1）稳定性好（2）输出电阻小（3）电压温度系数小（4）输出电压纹波小2025/8/124、并联型稳压电路电路组成结构特点：电路因二极管与负载并联而称为并联型稳压电路，也称为硅稳压管稳压电路。图中电阻R为限流电阻，用来限制通过稳压二极管VZ的电流，起限流保护作用。2025/8/122025/8/12①

Ui不变，RL减小②RL不变，Ui

升高保证了输出基本不变！结构简单，使用元件少，但稳压值不可调节。只适用于电压固定、负载电流小的电路。工作原理保证了输出基本不变！电路特点：2025/8/122025/8/125、串联型稳压电路取样电路：取出输出的部分回送至误差放大器与基准电压比较；各部分功能结构组成：基准