半導(dǎo)體二極管及其電路1.ppt

1、第2章 半導(dǎo)體二極管及其電路,武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程組,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),半導(dǎo)體二極管,將PN結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡稱 二極管,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),半導(dǎo)體二極管的類型 按半導(dǎo)體材料分：有硅二極管、鍺二極管等。 按 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)分：有點(diǎn)接觸型和面接觸型二極管。 點(diǎn)接觸型二極管因其結(jié)面積小，不能承受較大的電流和反向電壓，但其結(jié)電容較小，一般在PF以下，工作頻率高，可達(dá)100MHZ以上，因此適應(yīng)于高頻電路和小功率整流電路，也適應(yīng)于開關(guān)電路。 面接觸型二極管 其結(jié)面積大，能夠通過較大的電流，但其結(jié)電容大，因而

2、只能在較低頻率下工作，一般用于工頻大電流整流電路。 按用途分：有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管等。,半導(dǎo)體二極管,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),圖1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號,（a）點(diǎn)接觸型（b）面接觸型（c）集成電路中的平面型（d）代表符號,半導(dǎo)體二極管,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),幾種常見的二極管外形,半導(dǎo)體二極管,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),幾種常見的二極管外形,半導(dǎo)體二極管,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),幾種常見的二極管外形,半導(dǎo)體二極管,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管的V-I特性 與PN結(jié)一樣，

3、二極管具有單向?qū)щ娦?反向擊穿電壓V(BR),圖2 硅管的伏安特性,圖3 鍺管的伏安特性,半導(dǎo)體二極管,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管的伏安特性,導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V, 鍺管0.20.3V。,反向擊穿電壓U(BR),電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管主要參數(shù),為描述二極管的性能，常引用如下幾個(gè)主要參數(shù)： 1. 最大整流電流IF IF是指二極管長期運(yùn)行時(shí)允許通過的最大正向平均電流。其值與PN結(jié)面積以及外部散熱條件有關(guān)。在規(guī)定的散熱條件下，二極管正向平均電流若超過此值，則將因結(jié)溫升高而燒壞。 2. 反向擊穿電壓VBR和最高反向工作電壓VRM VBR是指二極管反向擊

4、穿時(shí)的電壓值。二極管反向擊穿時(shí)，反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至因過熱而燒壞。 VRM 是指二極管工作時(shí)允許外加的最大反向電壓。超過此值時(shí)，二極管有可能因反向擊穿而損壞，其值通常為反向擊穿電壓的一半。 3. 反向電流IR IR是指二極管未被擊穿時(shí)的反向電流。其值愈小，二極管的單向?qū)щ娦杂?，但其對溫度非常敏感，使用二極管時(shí)，要注意溫度的影響。 4. 最高工作頻率fM fM是二極管工作的上限截止頻率。其值主要取決于 PN 結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。超過此值時(shí)，由于結(jié)電容的作用，二極管將不能很好的體現(xiàn)單向?qū)щ娦浴?電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二

5、極管基本電路,二極管等效模型,圖4 理想模型,圖5 恒壓降模型,圖6 折線模型,（a）V-I特性 （b）代表符號,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,理想模型 圖中的虛線表示實(shí)際二極管的V-I特性，圖b為它的代表符號。由圖a可見，正向偏置時(shí)，其管壓降為0V，當(dāng)二極管處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的電阻為無窮大，電流為零。在實(shí)際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，利用此法來近似分析是可行的。,圖4 理想模型,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,恒壓降模型 正向偏置時(shí)，其管壓降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為硅管0.7V、鍺管0.2V。不過這只有當(dāng)二極管的

6、電流近似等于或大于1mA時(shí)才是正確的。,圖5 恒壓降模型,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,折線模型 此模型認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過二極管電流的增加而增加，在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電阻rD來作進(jìn)一步的近似。恒壓源的電壓選定為二極管的門坎電壓Vth（Von），約為硅管0.5V、鍺管0.1V。,圖6 折線模型,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,小信號模型,圖7 小信號模型,即,常溫下（T=300K）,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,二極管應(yīng)用電路 整流電路 限幅電路 低壓穩(wěn)壓電路 開關(guān)電路,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子

7、技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,整流電路 利用二極管的單向?qū)щ娦园呀涣麟娹D(zhuǎn)換成單向脈動的直流電的過程稱為整流。下圖所示電路為一種最簡單的單向半波整流電路。,圖8 半波整流電路（a）,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,整流電路 設(shè)二極管為理想模型。當(dāng)vi為正半周時(shí)，二極管正向偏置，此時(shí)二極管導(dǎo)通，vovi ；當(dāng)vi為負(fù)半周時(shí)，二極管反向偏置，此時(shí)二極管截止，vo0 ，輸出波形如右圖所示。該電路稱為半波整流電路。,圖8 半波整流電路（b）,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,限幅電路 下圖所示電路是一種簡單的雙向限幅電路，R為限流電阻。,圖9 限幅電路,電子技術(shù)基礎(chǔ)

8、精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,限幅電路 設(shè)二極管為恒壓降模型。當(dāng)輸入信號vi小于二極管的導(dǎo)通電壓（0.7v）時(shí)，二極管截止，vo vi ；當(dāng) vi值超過0.7v后，二極管導(dǎo)通。二極管導(dǎo)通后，其伏安特性類似于恒壓特性，所以其兩端電壓vo被限制在0.7v附近。該電路常作為限幅保護(hù)電路。,圖9 限幅電路（b）,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,低壓穩(wěn)壓電路 利用二極管正向?qū)〞r(shí)的恒壓特性可以用作某些電路的低壓穩(wěn)壓電路，如下圖所示。設(shè)D1、D2為硅二極管，合理選取電路參數(shù)，可以獲得Vo2VD1.4v（VD0.7v）的輸出電壓。,圖9 限幅電路,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電

9、子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,開關(guān)電路 在開關(guān)電路中，利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢越油ɑ驍嚅_電路，這在數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用。在分析這種電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)掌握一條基本原則，即判斷電路中的二極管是處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，可以先將二級管斷開，然后分析正、負(fù)兩極間是正電壓還是負(fù)電壓，若是前者則二極管導(dǎo)通，否則二極管截止。,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),二極管基本電路,開關(guān)電路,圖10 開關(guān)電路,0V 0V,導(dǎo)通,導(dǎo)通,0V,0V 5V,導(dǎo)通,截止,0V,5V 0V,5V 5V,截止,導(dǎo)通,0V,截止,截止,5V,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),特殊二極管,穩(wěn)壓二極管 發(fā)光二極管 光電二極管 變?nèi)荻?/p>

10、極管 肖特基二極管,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),特殊二極管,穩(wěn)壓管的伏安特性,圖11 穩(wěn)壓管的符號及伏安特性,穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài),當(dāng)工作電流IZ在Izmax和 Izmin之間時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù),電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),(1) 穩(wěn)定電壓VZ,(2) 動態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin,(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)VZ,穩(wěn)壓二極管主要參數(shù),電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),穩(wěn)壓電路,正常穩(wěn)壓時(shí) VO =VZ,# 穩(wěn)壓條件是什么？,# 不加R可以嗎？,# 上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎樣的？,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個(gè)問題,穩(wěn)壓管電路,1. 外加電源的正極接管子的 N 區(qū)，電源的負(fù)極接 P 區(qū)，保證管子工作在反向擊穿區(qū)；,2. 穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻 RL 并聯(lián)；,3. 必須限制流過穩(wěn)壓管的電流 IZ，不能超過規(guī)定值，以免因過熱而燒毀管子。,電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),特殊二極管,發(fā)光二極管 發(fā)光二極管（LED）包括可見光、不可見光、激光等不同類型。,圖12 發(fā)光二極管外形