半導(dǎo)體二管及其電路

1、第第2 2章章 半導(dǎo)體二極管及其電路半導(dǎo)體二極管及其電路本章內(nèi)容本章內(nèi)容2.12.1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.22.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管2.32.3其他類(lèi)型二極管其他類(lèi)型二極管2.12.1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1 .1 .半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)2.2.二極管的伏安特性二極管的伏安特性3 .3 .二極管的參數(shù)二極管的參數(shù)4.4.二極管的等效模型二極管的等效模型5.5.二極管應(yīng)用電路二極管應(yīng)用電路本節(jié)要掌握以下五個(gè)內(nèi)容本節(jié)要掌握以下五個(gè)內(nèi)容 在在pn結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平

2、點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型面型三大類(lèi)。三大類(lèi)。(1) 點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管 pn結(jié)面積小，結(jié)電結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等容小，用于檢波和變頻等高頻電路。高頻電路。(a)(a)點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(3) 平面型二極管平面型二極管 往往用于集成電路制造往往用于集成電路制造藝中。藝中。pn 結(jié)面積可大可小，結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 pn結(jié)面積大，用結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。于工頻大電流整流電路。(b)(b)面接觸型面接觸型(c)(c)平面型平面型陰極陰極引線引線陽(yáng)

3、極陽(yáng)極引線引線pnp 型支持襯底型支持襯底(4) 二極管的代表符號(hào)二極管的代表符號(hào)(d) 代表符號(hào)代表符號(hào)k 陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極 a半導(dǎo)體二極管圖片2.1.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性 硅管硅管00. 8反向特性反向特性正向特性正向特性擊擊穿穿特特性性ma/div/du00. 8反向特性反向特性鍺管鍺管正向特性正向特性ma/div/duudid)(ddufi (1) 近似呈現(xiàn)為指數(shù)曲線，即近似呈現(xiàn)為指數(shù)曲線，即tuuiidesd (2) 有死區(qū)有死區(qū)（id0的區(qū)域的區(qū)域) )1正向特性正向特性死區(qū)電壓約為死區(qū)電壓約為硅管硅管0.5 v鍺管鍺管0.1 void正向特性正向特性擊

4、穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓u(br)反向特性反向特性u(píng)d(3) 導(dǎo)通后（即導(dǎo)通后（即ud大于死區(qū)電壓后）大于死區(qū)電壓后）ttuuuiuiduditdsdd1ed 管壓降管壓降ud 約為約為硅管硅管0.60 .8 v鍺管鍺管0.20.3 v通常近似取通常近似取ud 硅管硅管0.7 v鍺管鍺管0.2 void正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓u(br)反向特性反向特性u(píng)d即即 ud略有升高，略有升高， id急劇急劇增大。增大。2反向特性反向特性 is=硅管硅管小于小于0.1微安微安鍺管幾十到幾百鍺管幾十到幾百微安微安oid正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓u(br)

5、反向特性反向特性u(píng)d(br)duu (1) 當(dāng)當(dāng)sdii 時(shí)，時(shí)，。(2) 當(dāng)當(dāng)(br)duu 時(shí)，時(shí)，反向電流急劇增大，反向電流急劇增大，擊穿的類(lèi)型擊穿的類(lèi)型根據(jù)擊穿可逆性分為根據(jù)擊穿可逆性分為電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿二極管發(fā)生反向擊穿。二極管發(fā)生反向擊穿。oid正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓u(br)反向特性反向特性u(píng)d降低反向電壓，二極管仍能正常工作。降低反向電壓，二極管仍能正常工作。pn結(jié)被燒壞，造成二極管永久性的損壞。結(jié)被燒壞，造成二極管永久性的損壞。二極管發(fā)生反向擊穿后，如果二極管發(fā)生反向擊穿后，如果a. 功耗功耗pd( = |udid| )不大不大b. pn結(jié)的

6、溫度小于允許的最高結(jié)溫結(jié)的溫度小于允許的最高結(jié)溫硅管硅管150200oc鍺管鍺管75100oc熱擊穿熱擊穿電擊穿電擊穿) 1(tvvseii溫度每升高溫度每升高1度，正度，正向壓降減小向壓降減小22.5mv溫度每升高溫度每升高10度，反度，反相飽和電流增加相飽和電流增加1倍倍ststiiviivvlg.ln32溫度對(duì)伏安特性的影響溫度對(duì)伏安特性的影響溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響1. 當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低。當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低。ud/ t = （22.5）mv/ c2. 溫度升高溫度升高，反向飽和電流增大。反向飽和電流增大。)(2)

7、(0s10s0tititt 即即 溫度每升高溫度每升高1c，管壓降降低，管壓降降低（22.5）mv。即即 平均溫度每升高平均溫度每升高10c，反向飽和電流增大一倍。，反向飽和電流增大一倍。不講不講2.1.4 半導(dǎo)體二極管的主要電參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要電參數(shù)1. 額定整流電流額定整流電流if2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓u(br)管子長(zhǎng)期運(yùn)行所允許通管子長(zhǎng)期運(yùn)行所允許通過(guò)的電流平均值。過(guò)的電流平均值。 二極管能承受的最高反二極管能承受的最高反向電壓。向電壓。oid正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓u(br)反向特性反向特性u(píng)d4. 反向電流反向電流ir3. 最高允許反向工作電壓最高

8、允許反向工作電壓ur為了確保管子安全工作，所為了確保管子安全工作，所允許的最高反向電壓。允許的最高反向電壓。室溫下加上規(guī)定的反向電室溫下加上規(guī)定的反向電壓時(shí)測(cè)得的電流。壓時(shí)測(cè)得的電流。oid正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓u(br)反向特性反向特性u(píng)dur=（1/22/3）u(br)反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百

9、倍。大幾十到幾百倍。4.4.最高工作頻率最高工作頻率f fm m 最高工作頻率是二極管工作的上限截止頻率，超過(guò)最高工作頻率是二極管工作的上限截止頻率，超過(guò)此值時(shí)，由于結(jié)電容的作用，二極管不能很好的體現(xiàn)單此值時(shí)，由于結(jié)電容的作用，二極管不能很好的體現(xiàn)單向?qū)щ娦浴Ｏ驅(qū)щ娦浴?以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。保護(hù)等等。000ddddv v v vov壓降為二極管開(kāi)路時(shí)的外加二極管的壓降 o/v 斜斜率率 d/vondondonddvvvv vv vov

10、壓降為二極管開(kāi)路時(shí)的外加二極管的壓降 o/vvon 斜斜率率 i/vvonv 70on.硅v（硅二極管典型值）（硅二極管典型值）v 20on.鍺v（鍺（鍺 二極管典型值）二極管典型值）導(dǎo)通壓降：3 3折線模型折線模型: : 折線模型認(rèn)為二極管的管壓降不是恒折線模型認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過(guò)二極管電流的增加而定的，而是隨著通過(guò)二極管電流的增加而增加，所以在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電增加，所以在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電阻阻r rd d來(lái)作進(jìn)一步的近似。其中電池的電壓來(lái)作進(jìn)一步的近似。其中電池的電壓為二極管的門(mén)坎電壓為二極管的門(mén)坎電壓v vthth或者說(shuō)導(dǎo)通電壓或者說(shuō)導(dǎo)通電壓v vd(

11、on)d(on)。r rd d的值，可以這樣來(lái)確定，如當(dāng)二的值，可以這樣來(lái)確定，如當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為極管的導(dǎo)通電流為1ma1ma時(shí)，管壓降為時(shí)，管壓降為0 07v7v則：則：r rd d= =（0 07 v-07 v-05 v5 v）/ /（1ma1ma）=200 =200 4. 4. 小信號(hào)模型小信號(hào)模型 二極管工作在正向特性的某一小范二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。變電阻。dddivr 即即)1(/sdd tvveii根據(jù)根據(jù)得得q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)點(diǎn)處的微變電導(dǎo)qdvdigddd qvvttevi/sd tvid d

12、d1gr 則則divt 常溫下（常溫下（t=300k）)ma()mv(26dddiivrt 四種模型比較：四種模型比較：1 1、理想模型誤差大、理想模型誤差大2 2、折線模型誤差最小、折線模型誤差最小4 4、小信號(hào)模型只適用于二極管處于正向?qū)ā⑿⌒盘?hào)模型只適用于二極管處于正向?qū)ㄇ倚盘?hào)變化幅度較小的情況且信號(hào)變化幅度較小的情況3 3、恒壓降模型應(yīng)用最普遍、恒壓降模型應(yīng)用最普遍rluiuouiuott1 1、二極管半波整流：、二極管半波整流：2、 限幅電路限幅電路工作原理工作原理a. 當(dāng)當(dāng)ui i較小使二極管較小使二極管d1 、d2截止時(shí)截止時(shí)iiiiurrru 電路正常放大電路正常放大fiu

13、u b. 當(dāng)當(dāng)ui i使二極管使二極管d1 或或d2導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)rd2ari+iu d1+iu例題例題1 1不講不講uito輸入電壓波形輸入電壓波形rd2ari+iu d1+iu輸入端電壓波形輸入端電壓波形uitoiu 2ufrd2ari+iu d1+iuv vi i v vr r時(shí)，二極管導(dǎo)通，時(shí)，二極管導(dǎo)通，v vo o=v=vi i。v vi i v vr r時(shí)，二極管截止，時(shí)，二極管截止， v vo o=v=vr r。 例例2 2：理想二極管電路中：理想二極管電路中 v vi i= vm= vm sint v sint v，求輸出波形求輸出波形v v0 0。解：利用二極管的利用二極管的

14、單向?qū)щ娦钥蓡蜗驅(qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_(kāi)關(guān)作為電子開(kāi)關(guān)vi1 vi2二極管工作狀態(tài)d1 d2v00v 0v導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 導(dǎo)通截止 截止0v 5v5v 0v5v 5v0v0v0v5v例例1111：求：求v vi1i1和和v vi2i2不同值組合時(shí)的不同值組合時(shí)的v v0 0值（二極管為值（二極管為理想模型）。理想模型）。解：解：4、在檢波電路中的應(yīng)用（無(wú)線通信）在檢波電路中的應(yīng)用（無(wú)線通信）用音頻信號(hào)去控制用音頻信號(hào)去控制高頻信號(hào)的幅值高頻信號(hào)的幅值音頻信號(hào)音頻信號(hào)高頻信號(hào)高頻信號(hào)載波信號(hào)載波信號(hào)調(diào)制的過(guò)程調(diào)制的過(guò)程otuu1tou2ot音頻放大器音頻放大器話筒話筒高頻振蕩器高頻振蕩器調(diào)調(diào)

15、 制制 器器發(fā)發(fā) 射射 器器u2u1u不講不講2.2 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管2.2.1穩(wěn)壓二極管的伏安特性穩(wěn)壓二極管的伏安特性特點(diǎn)特點(diǎn)a. 正向特性與普通管類(lèi)似正向特性與普通管類(lèi)似穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管通常工作于反通常工作于反向電擊穿狀態(tài)向電擊穿狀態(tài)伏安特性伏安特性+ +izuzuzqbaouziziz uz iz符號(hào)符號(hào)b. 反向擊穿特性很陡反向擊穿特性很陡(1) (1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓v vz z(2) (2) 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻r rz z 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流電流i iz z下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。壓。r rz z = = v vz z / /

16、i iz z(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 p pzmzm(4)(4)最大穩(wěn)定工作電流最大穩(wěn)定工作電流 i izmaxzmax 和最小穩(wěn)定工作電流和最小穩(wěn)定工作電流 i izminzmin穩(wěn)壓條件：穩(wěn)壓條件：i izminzmin i iz z 6v管子出現(xiàn)雪崩擊穿，管子出現(xiàn)雪崩擊穿，u 為正；為正；uz 4v 出現(xiàn)齊納擊穿，出現(xiàn)齊納擊穿，u 為負(fù)為負(fù); ;4v uz 6v，u可能為正，也可能為負(fù)?？赡転檎?，也可能為負(fù)。u （5）溫度系數(shù)）溫度系數(shù) 定義：定義： 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路不講不講不講不講負(fù)載電阻負(fù)載電阻 。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生 20

17、%20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例5ma 20ma, v,10minmaxzzzwiiu穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù)穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù): : k2lr解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為流為i iz zmaxmax 。求：電阻求：電阻r r和輸入電壓和輸入電壓 u ui i 的正常值。的正常值。ma25maxlzwzruii102521ruiru.zwi方程方程1 1令輸入電壓降到下限令輸入電壓降到下限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為流為izmin 。ma10minlzwzruii101

18、080ruiru.zwi方程方程2uoizdzriliuirl聯(lián)立方程聯(lián)立方程1、2，可解得：，可解得：k50v7518.r,.ui一、一、 發(fā)光二極管發(fā)光二極管有正向電流流過(guò)有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的紅外到可見(jiàn)波段的光，它的電特性與光，它的電特性與一般二極管類(lèi)似。一般二極管類(lèi)似。二、二、 光電二極管光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。iu照度增加照度增加三、變?nèi)荻O管三、變?nèi)荻O管(varicap(varicap) ) 利用二極管的結(jié)電容以及該電容大小與利

19、用二極管的結(jié)電容以及該電容大小與外接電壓有關(guān)的特點(diǎn)制成外接電壓有關(guān)的特點(diǎn)制成. .四、肖特基二極管四、肖特基二極管(sbd)(sbd) 金屬與金屬與n n型半導(dǎo)體接觸形成勢(shì)壘，不存在少數(shù)載型半導(dǎo)體接觸形成勢(shì)壘，不存在少數(shù)載流子在流子在pnpn結(jié)附近積累和消散過(guò)程，電容效應(yīng)非常適合結(jié)附近積累和消散過(guò)程，電容效應(yīng)非常適合高頻。高頻。電阻量程電阻量程 1 10 100 1k測(cè)得電阻值測(cè)得電阻值 31 210 1.1 k 11.5 k例例1 用萬(wàn)用表測(cè)量二極管的正向直流電阻用萬(wàn)用表測(cè)量二極管的正向直流電阻rf，選用，選用的量程不同，測(cè)得的電阻值相差很大?，F(xiàn)用的量程不同，測(cè)得的電阻值相差很大?，F(xiàn)用mf3

20、0 型型萬(wàn)用表測(cè)量某二極管的正向電阻，結(jié)果如下表，試分萬(wàn)用表測(cè)量某二極管的正向電阻，結(jié)果如下表，試分析所得阻值不同的原因。析所得阻值不同的原因。例題例題例例2:設(shè)二極管設(shè)二極管d1、d2為理想二極管，判斷它們?cè)趫D為理想二極管，判斷它們?cè)趫D1中是導(dǎo)通中是導(dǎo)通還是截止？并求還是截止？并求 uo 解：解：假設(shè)假設(shè)d1、d2斷開(kāi)斷開(kāi)d1的陽(yáng)極為的陽(yáng)極為0v，陰極為，陰極為-9v;d2的陽(yáng)極為的陽(yáng)極為-12v，陰極為，陰極為-9v;d1導(dǎo)通，導(dǎo)通，d2截止，輸出電壓截止，輸出電壓=0例例3：在圖在圖a和和b所示的電路中，假設(shè)所示的電路中，假設(shè)d是理想的，其輸入信號(hào)為是理想的，其輸入信號(hào)為ui=10sin

21、t(v)。分別畫(huà)出它們的輸出波形和傳輸特性。分別畫(huà)出它們的輸出波形和傳輸特性u(píng)o=f(ui)。解：解：假設(shè)假設(shè)d斷開(kāi)，圖斷開(kāi)，圖a，d的陽(yáng)極的陽(yáng)極5v，當(dāng)，當(dāng)ui5v時(shí)，時(shí)，d截止，截止，uo=5v。 圖圖b，d的陰極的陰極5v，ui5v時(shí)，時(shí)，d導(dǎo)通，導(dǎo)通， uo=5v；ui0.7vvi0.7v,d1,d1導(dǎo)通，導(dǎo)通，vovo=0.7v=0.7v；vdvi-0.7v,vi-0.7v,d2d2導(dǎo)通導(dǎo)通, ,vovo=-0.7v=-0.7v；-0.7vvi0.7v-0.7vvi0.7v, d1, d1、d2d2均截止均截止, ,vovo=vi=vi。rvi(t)vo(t)d1d2例例5：雙向限幅電路：如下圖，設(shè)雙向限幅電路：如下圖，設(shè)vi(t)=3sint , vth=0.5v，r=1k, rd=200 ,利用折線模型，畫(huà)出輸出波形。利用折線模型，畫(huà)出輸出波形。解：解：假折線模型電路為：假折線模型電路為：0.923-30.5-0.5 假設(shè)假設(shè)d1d1、d2d2斷開(kāi)，斷開(kāi)，d1d1陰極陰極0.5v0.5v，d2d2