集成电路第4章 半导体二极管和晶体管-4.3 半导体二极管

第4章半导体二极管和晶体管

2010.024.3.1.2面接触型二极管(b)面接触型图4.3.1二极管的结构示意图PN结面积大，用于工频大电流整流电路。第4章半导体二极管和晶体管

2010.02(c)平面型4.3.1.3平面型二极管

往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。图4.3.1二极管的结构示意图第4章半导体二极管和晶体管

2010.024.3.2二极管的伏安特性曲线

半导体二极管的伏安特性曲线如图4.3.2所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。图4.3.2二极管的伏安特性曲线4.3.2.1

正向特性第4章半导体二极管和晶体管

2010.02图4.3.3二极管伏安特性曲线的正向区

刚加入正向电压后，二极管有一个死区。当正向电压达到开启电压Uth(on)之值后，正向电流开始比较明显地出现，此时正向特性曲线非线性较大。当正向电流较大时，特性曲线也具有较好的线性度。

硅二极管和锗二极管的正向特性主要表现在开启电压不同，硅二极管的Uth(on)约为0.4~0.5V；锗二极管的Uth(on)

约为0.1~0.2V。第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

硅二极管和锗二极管的反向特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。

从击穿机理上看，当硅二极管|UBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；当|UBR|≤4V时，则主要是齐纳击穿。当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。图4.3.4伏安特性曲线的反向区4.3.2.2

反向特性第4章半导体二极管和晶体管

2010.024.3.3二极管的参数

半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：

(1)最大整流电流IF

——二极管长期连续工作时，在整流状态下的平均电流的最大值。(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM

——当二极管所加反向电压使反向电流急剧增加时，所对应的反向电压称为反向击穿电压UBR

；为安全计，在工作时，二极管所加的最大反向工作电压URM只有反向击穿电压的一半左右。第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

(3)反向电流IR

——在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(

A)级。(4)正向压降UF

——在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。(5)动态电阻rd

——反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即

rd=

UF/

IF第4章半导体二极管和晶体管

2010.02二极管的动态电阻rd的求解QQ

二极管的动态电阻属于交流参数，是二极管对它两端交流电压呈现出的电阻值。rd可以用二极管伏安特性曲线斜率的倒数来表示，rd的大小和工作点Q有关。图4.3.5二极管的动态电阻第4章半导体二极管和晶体管

2010.02(6)二极管的温度特性

当温度升高时，反向电流IR按指数规律增加，基本遵循温度每增加10℃，IR增加一倍的规律。

温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降UF(UD)大约减小2mV，具有负温度系数。温度对反向击穿电压UBR的影响，当UBR的绝对值较大时，UBR

具有正温度系数，属于雪崩击穿。第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

图4.3.6温度对二极管伏安特性曲线的影响负温度系数正温度系数反向饱和电流加大第4章半导体二极管和晶体管

2010.024.3.4二极管的模型1.开关模型2.固定正向电压降模型

二极管正向压降为0,电阻为0；反向截止时，反向电阻为无穷大，反向电流为0。

考虑正向压降，但认为是一固定值，硅管的正向压降UD为0.7V，锗管的正向压降UD为0.3V。

图4.3.5二极管的低频模型第4章半导体二极管和晶体管

2010.023.折线化模型

既考虑二极管正向压降，又考虑正向电阻rD。利用这一模型可以计算外加信号变化时二极管管压降或电流的变化。

在该模型中，将二极管的开启电压等效为电压源Uth和电阻rD的串联。rD与动态电阻rd不同，rD如下：图4.3.5二极管的低频模型第4章半导体二极管和晶体管

2010.024.低频交流小信号模型

当计算在Q点附近电流或电压的变化量，要使用二极管的低频交流小信号模型。模型中rd为动态电阻，rd，可用下式计算

显然，动态电阻rd与二极管的正向电阻rD不同。图4.3.6二极管的交流小信号模型第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

4.3.5

二极管的典型应用

4.3.5.1

单相半波整流电路

二极管的一项重要应用就是整流，整流电路的作用是将正弦交流电转化成单相脉动电。单相半波整流电路和波形图见图4.3.7。图4.3.7单相整流电路和波形图(a)电路图(b)波形图第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

在整流电路中，二极管采用开关模型:当二极管反偏时截止，电流等于0，其两端电压等于-U2;当二极管正偏时饱和导通，其两端电压等于0。

在U2的正半周，二极管导通，有电流流过负载，输出电压

uo=u2

在U2的负半周，二极管截止，没有电流流过负载，输出电压

uo=0V第4章半导体二极管和晶体管

2010.02U2正半周，VD导通，有半波脉动电流流过负载

U2的负半周，VD截止，没有电流流过负载第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

单相桥式整流电路利用变压器的一个绕组和四个二极管获得全波整流的输出效果，因为在电路中采用了四个整流二极管，搭接成桥式结构，所以称为单相桥式整流电路。图4.3.8

单相桥式整流电路

单相桥式整流电路它只有一个变压器副边绕组，以及四个二极管

接成桥形构成

。

4.3.5.2

单相半波桥式整流电路

1.

电路结构第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

在交流输入电压u2的正半周内，整流二极管VD1、VD3导通，VD2、VD2截止。电流流向如图4.3.8所示，在负载上产生“上正下负”的输出脉动电压。

2.

输入电压为正半周时uOiO图4.3.8单相全波桥式整流电路第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

在交流输入电压u2的负半周内，整流二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止。电流流向如4.3.8图所示，在负载上产生“上正下负”的输出脉动电压。

3.

输入电压为负半周时uOiO

负载在正、负半周均有同方向的输出脉动电压。

图4.3.8单相全波桥式整流电路第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

4.

桥式整流电路的波形分析第4章半导体二极管和晶体管

2010.02

5.

输出电压的平均值

由桥式整流电路输出电压波形图可知，其输出电压平均值UO(AV)也是半波整流时的两倍第4章半导体二极管和晶体管

2010.02例4.2：用试分析图4.3.9电路，计算调节电位器的输出端对地的电压范围。图4.3.9例4.2电路图解：两个二极管正偏工作，a、b二点间的电压约为1.4V。330

的电位器跨接在a、b二点之间，a点是+0.7V，b点是-0.7V。Uo对地电压的调节范围近似为-0.7V~+0.7V，电位器的中点是0V。第4章半导体二极管和晶体管