深入剖析二極管及其應(yīng)用

1、深入剖析二極管及其應(yīng)用電子電路區(qū)別于以前所學電路的主要特點是電路中引入各種電子器件。電子器件的類型很多，目前使用得最廣泛的是半導(dǎo)體器件二極管、穩(wěn)壓管、晶體管、絕緣柵場效應(yīng)管等。由于本課程的任務(wù)不是研究這些器件內(nèi)部的物理過程，而是討論它們的應(yīng)用，因此，在簡單介紹這些器件的外部特性的基礎(chǔ)上，討論它們的應(yīng)用電路。4.1 PN結(jié)和半導(dǎo)體二極管4.1.1 PN結(jié)的單向?qū)щ娦晕覀冊谖锢碚n中已經(jīng)知道，在純凈的四價半導(dǎo)體晶體材料(主要是硅和鍺)中摻入微量三價(例如硼)或五價(例如磷)元素，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會大大增強。這是由于形成了有傳導(dǎo)電流能力的載流子。摻入五價元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是自由電子，稱為電子

2、半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。而摻入三價元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是空穴，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。在摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子(稱多子)數(shù)目由摻雜濃度確定，而少數(shù)載流子(稱少子)數(shù)目與溫度有關(guān)，并且溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目會增加。在一塊半導(dǎo)體基片上通過適當?shù)陌雽?dǎo)體工藝技術(shù)可以形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交接面，稱為PN結(jié)。 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕寒擯N結(jié)加正向電壓時，P端電位高于N端，PN結(jié)變窄,由多子形成的電流可以由P區(qū)向N區(qū)流通，見圖4-1 (a),而當PN結(jié)加反向電壓時，N端電位高于P端，PN結(jié)變寬,由少子形成的電流極小，視為截止(不導(dǎo)通)，見圖4-1 (b)。 4.1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二

3、極管就是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成的。由P區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管導(dǎo)通時電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。二極管的種類很多，按材料來分，最常用的有硅管和鍺管兩種;按結(jié)構(gòu)來分，有點接觸型，面接觸型和硅平面型幾種;按用途來分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種。圖4-2是常用二極管的符號、結(jié)構(gòu)及外形的示意圖。二極管的符號如圖4-2(a)所示。箭頭表示正向電流的方向。一般在二極管的管殼表面標有這個符號或色點、色圈來表示二極管的極性，左邊實心箭頭的符號是工程上常用的符號，右邊的符號為新規(guī)定的符號。從工藝結(jié)構(gòu)來看，點接觸型

4、二極管(一般為鍺管)如圖4-2(b)其特點是結(jié)面積小，因此結(jié)電容小，允許通過的電流也小，適用高頻電路的檢波或小電流的整流，也可用作數(shù)字電路里的開關(guān)元件;面接觸型二極管(一般為硅管)如圖4-2(c)其特點是結(jié)面積大，結(jié)電容大，允許通過的電流較大，適用于低頻整流;硅平面型二極管如圖4-2(d)，結(jié)面積大的可用于大功率整流，結(jié)面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路作開關(guān)管。4.1.3 二極管的伏安特性二極管的電流與電壓的關(guān)系曲線I = f(V)，稱為二極管的伏安特性。其伏安特性曲線如圖4-3所示。二極管的核心是一個PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕鋵嶋H伏安特性與理論伏安特性略有區(qū)別。由圖4-3可見二極管的伏安特性曲線

5、是非線性的，可分為三部分：正向特性、反向特性和反向擊穿特性1. 正向特性當外加正向電壓很低時，管子內(nèi)多數(shù)載流子的擴散運動沒形成，故正向電流幾乎為零。當正向電壓超過一定數(shù)值時，才有明顯的正向電流，這個電壓值稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V，當正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流迅速增長，曲線接近上升直線，在伏安特性的這一部分，當電流迅速增加時，二極管的正向壓降變化很小，硅管正向壓降約為0.60.7V，鍺管的正向壓降約為0.20.3V。二極管的伏安特性對溫度很敏感，溫度升高時，正向特性曲線向左移，如圖4-3所示，這說明，對應(yīng)同樣大小的正向電流，正向壓降隨溫升而減

6、小。研究表明，溫度每升高10C，正向壓降減小 2mV。 2. 反向特性二極管加上反向電壓時，形成很小的反向電流，且在一定溫度下它的數(shù)量基本維持不變，因此，當反向電壓在一定范圍內(nèi)增大時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓大小無關(guān)，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達幾十A，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1A以下，當溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目增加，使反向電流增大，特性曲線下移，研究表明，溫度每升高100C，反向電流近似增大一倍。3.反向擊穿特性當二極管的外加反向電壓大于一定數(shù)值(反向擊穿電壓)時，反向電流突然急劇增加稱為二極管反向擊穿。反向擊穿電壓一般在幾十伏以上4.1.

7、4二極管的主要參數(shù)二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，參數(shù)同樣能反映出二極管的電性能,器件的參數(shù)是正確選擇和使用器件的依據(jù)。各種器件的參數(shù)由廠家產(chǎn)品手冊給出，由于制造工藝方面的原因，既使同一型號的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此手冊常給出某個參數(shù)的范圍，半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)有以下幾個1.最大整流電流IDMIDM指的是二極管長期工作時，允許通過的最大的正向平均電流。在使用時，若電流超過這個數(shù)值，將使PN結(jié)過熱而把管子燒壞2.反向工作峰值電壓VRMVRM是指管子不被擊穿所允許的最大反向電壓。一般這個參數(shù)是二極管反向擊穿電壓的一半，若反向電壓超過這個數(shù)值，管子將會有擊穿的危險。 3.反向峰值電流

8、IRMIRM是指二極管加反向電壓VRM時的反向電流值，IRM越小二極管的單向?qū)щ娦杂谩RM受溫度影響很大，使用時要加以注意。硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。4.最高工作頻率M二極管在外加高頻交流電壓時，由于PN結(jié)的電容效應(yīng)，單向?qū)щ娮饔猛嘶?。M指的是二極管單向?qū)щ娮饔瞄_始明顯退化的交流信號的頻率。4.1.5二極管的等效電路及其應(yīng)用由于二極管的伏安特性是非線性的，為了分析計算方便，在特定的條件下，我們可以將其線性化處理，視為理想元件。1.理想二極管等效電路在電路中，若二極管導(dǎo)通時的正向壓降遠小于和它串聯(lián)元件的電壓，二極管截止時反向電流遠小于與之

9、并聯(lián)元件的電流，那么可以忽略管子的正向壓降和反向電流把二極管理想化為一個開關(guān)，當外加正向電壓時，二極管導(dǎo)通，正向壓降為0，相當于開關(guān)閉合，當外加反向電壓時，二極管截止，反向電流為0，相當于開關(guān)斷開，理想二極管的等效電路如圖4-4。利用理想二極管表示實際二極管進行電路的分析和計算可以得出比較滿意的結(jié)果，但稍有一些誤差。2.二極管應(yīng)用電路舉例二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。下面介紹幾種應(yīng)用電路。(1) 限幅電路：限幅器的功能就是限制輸出電壓的幅度。例4-1圖4-5(a)就是利用二極管作為正向限幅器的電路圖。已知vi = Vmsint，且VmVS，試分析工作原理，并作出輸出電壓vo

10、的波形。解：a) 二極管導(dǎo)通的條件是viVS，由于D為理想二極管，D一旦導(dǎo)通，管壓降為零，此時vo = VSb) 當viVS時，二極管截止，該支路斷開，R中無電流，其壓降為0。 所以vo =vic) 根據(jù)以上分析，可作出vo的波形，如圖4-5(b)所示，由圖可見，輸出電壓的正向幅度被限制在VS值。注意：作圖時，vo和vi的波形在時間軸上要對應(yīng)，這樣才能正確反映vo的變化過程。(2) 二極管門電路門電路是一種邏輯電路，在輸入信號(條件)和輸出信號(結(jié)果)之間存在著一定的因果關(guān)系即邏輯關(guān)系。在邏輯電路中，通常用符號0和1來表示兩種對立的邏輯狀態(tài)。用1表示高電平，用0表示低電平，稱為正邏輯，反之為負

11、邏輯。基本的邏輯關(guān)系有三種：與邏輯、或邏輯、非邏輯。與此相對應(yīng)的門電路就有與門、或門、非門。由這三種基本門電路可以組成其他多種復(fù)合門電路。例4-2 圖 4-6所示為最簡單的與門電路及邏輯圖符號。它是由二極管D1、D2和電阻R及電源VCC組成。圖中A、B為兩個輸入端，F(xiàn)為輸出端。設(shè)VCC=5V，A、B輸入端的高電平(邏輯1)為3V，低電平(邏輯0)為0V， 并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航?。試分析電路的輸入與輸出之間的關(guān)系。解：(1)當輸入端A、B均為低電平0時，即VA = VB = 0V時，二極管D1、D2均為正向偏置而導(dǎo)通，使輸出端F的電壓VF = 0V，即輸出端F為低電平0。(2)當輸

12、入端A為低電平0，B為高電平1，即VA = 0V，VB = 3V時，D1陰極電位低于D2陰極電位，D1導(dǎo)通，使VF = 0V，因而D2為反向偏置而截止，輸出端F為低電平0。(3)當輸入端A為高電平1，B為低電平0，即VA = 3V，VB = 0V時，D1、D2的工作情況與(2)相反，輸出端F仍為低電平0。(4)當輸入端A、B均為高電平1時，即VA = VB = 3V時，D1、D2均為正向偏置而導(dǎo)通，使輸出端F的電壓VF = 3V，即輸出端F為高電平1。從上述分析可知，只有當所有輸入端都是高電平1時，輸出端才是高電平1，否則輸出端均為低電平0。這種“只有當決定一事件結(jié)果的所有條件都滿足時，結(jié)果才

13、發(fā)生”的邏輯關(guān)系稱為與(And)邏輯，與門電路滿足與邏輯關(guān)系。與邏輯也稱為邏輯乘、與運算。通常用符號“ ”表示，設(shè)A、B、F分別為邏輯變量，則與運算的表達式可寫成以下形式：F=AB 或 F=AB上式讀作F等于A與B。邏輯與的含義是：只有輸入變量A、B都為1 時，輸出變量F才為1;只要A、B中有一個為0，F(xiàn)便為0。換言之，也就是“有0出0，全1出1”。這一結(jié)論也適合于有多個變量參加的與運算。表4-1列出了圖4-6所示電路輸入與輸出邏輯電平的關(guān)系。但在邏輯電路分析中，通常用邏輯0、1來描述輸入與輸出之間的關(guān)系，所列出的表稱為真值表(即邏輯狀態(tài)表)。上述與門的真值表如表4-2所示。另外，圖4-7給出

14、了或門電路及邏輯圖符號。它也是由二極管和電阻組成的。圖中A、B是兩個輸入端，F(xiàn)是輸出端。設(shè)A、B輸入端的高電平(邏輯1)為3V，低電平(邏輯0)為0V， 并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航怠Ｍㄟ^分析(詳細過程讀者可以自己分析)可知，只要A 、B當中有一個是高電平(邏輯1)輸出就是高電平(邏輯1)。只有當A、 B同時為低電平(邏輯0)時，輸出才是低電平(邏輯0)。這種“在決定一事件結(jié)果的所有條件中，只要有一個或一個以上滿足時結(jié)果就發(fā)生”的邏輯關(guān)系稱或(Or)邏輯?；蜷T電路滿足或邏輯關(guān)系。 或邏輯也稱為邏輯加、或運算。通常用符號“+”來表示，設(shè)A、B、F分別為邏輯變量，則或運算的表達式可寫成以下

15、形式：F=A+B上式讀作F等于A或B。邏輯或的含義是：只有輸入變量A、B中有一個或一個以上為1， 輸出變量F就為1;反之，只有A、B全為0時，F(xiàn)才為0。換言之，也就是“有1出1，全0出0”。這一結(jié)論也適合于有多個變量參加的或運算表4-3列出了圖4-7所示電路輸入與輸出邏輯電平的關(guān)系。表4-4為上述或門的真值表。4.2特殊二極管除了上述普通二極管外，還有一些特殊二極管，如穩(wěn)壓二極管、光電二極管、發(fā)光二極管等，分別介紹如下。4.2.1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。圖4-8(a)為穩(wěn)壓管在電路中的正確聯(lián)接方法;圖(b)和圖(c)為穩(wěn)壓管的伏安特性及圖形符號。穩(wěn)

16、壓管與普通二極管的主要區(qū)別在于，穩(wěn)壓管是工作在PN結(jié)的反向擊穿狀態(tài)。通過在制造過程中的工藝措施和使用時限制反向電流的大小，能保證穩(wěn)壓管在反向擊穿狀態(tài)下不會因過熱而損壞。從穩(wěn)壓管的反向特性曲線可以看出，當反向電壓較小時，反向電流幾乎為零，當反向電壓增高到擊穿電壓Vz(也是穩(wěn)壓管的工作電壓)時，反向電流Iz(穩(wěn)壓管的工作電流)會急劇增加，穩(wěn)壓管反向擊穿。在特性曲線ab段，當Iz在較大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端電壓Vz基本不變，具有恒壓特性，利用這一特性可以起到穩(wěn)定電壓的作用。 穩(wěn)壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的，只要不超過穩(wěn)壓管的允許值，PN結(jié)就不會過熱損壞，當外加反向電壓去除后，穩(wěn)壓管

17、恢復(fù)原性能，所以穩(wěn)壓管具有良好的重復(fù)擊穿特性。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有：1.穩(wěn)定電壓VZ。穩(wěn)定電壓VZ指穩(wěn)壓管正常工作時，管子兩端的電壓，由于制造工藝的原因，穩(wěn)壓值也有一定的分散性，如2CW14型穩(wěn)壓值為6.07.5V。2.動態(tài)電阻rz。動態(tài)電阻是指穩(wěn)壓管在正常工作范圍內(nèi)，端電壓的變化量與相應(yīng)電流的變化量的比值。 穩(wěn)壓管的反向特性愈陡，rZ愈小，穩(wěn)壓性能就愈好3. 穩(wěn)定電流IZ。穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流值，只有IIZ，才能保證穩(wěn)壓管有較好的穩(wěn)壓性能。4.最大穩(wěn)定電流IZmax 。允許通過的最大反向電流，I IZmax管子會因過熱而損壞。5. 最大允許功耗PZM。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PZ

18、M =VZ IZmax6.電壓溫度系數(shù)V。溫度變化10C時，穩(wěn)定電壓變化的百分數(shù)定義為電壓溫度系數(shù)。電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好，通常硅穩(wěn)壓管在VZ低于4V時具有負溫度系數(shù),高于6V時具有正溫度系數(shù), VZ在46V之間，溫度系數(shù)很小。穩(wěn)壓管正常工作的條件有兩條，一是工作在反向擊穿狀態(tài),二是穩(wěn)壓管中的電流要在穩(wěn)定電流和最大允許電流之間。當穩(wěn)壓管正偏時，它相當于一個普通二極管。圖4-8(a)為最常用的穩(wěn)壓電路，當Vi或RL變化時，穩(wěn)壓管中的電流發(fā)生變化，但在一定范圍內(nèi)其端電壓變化很小，因此起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。(該電路分析見4.4節(jié))4.2.2 光電二極管光電二極管又稱光敏二極管。它的管殼上備有一個玻璃窗口，以便于接受光照。其特點是，當光線照射于它的PN結(jié)時，可以成對地產(chǎn)生自由電子和空穴，使半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的濃度提高。這些載流子在一定的反向偏置電壓作用下可以產(chǎn)生漂移電流，