第2章 半導(dǎo)體二極管

1、第第2 2章章 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管本章基本要求本章基本要求 了解半導(dǎo)體的基本知識了解半導(dǎo)體的基本知識 熟悉二極管熟悉二極管(PN(PN結(jié)結(jié)) )的結(jié)構(gòu)、工作原理、的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)主要參數(shù) 掌握二極管的特點、伏安特性、應(yīng)用掌握二極管的特點、伏安特性、應(yīng)用電路及其分析方法。電路及其分析方法。本章講述內(nèi)容本章講述內(nèi)容 2.12.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)與半導(dǎo)體基礎(chǔ)與PNPN結(jié)結(jié) 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 2.32.3特殊半導(dǎo)體二極管特殊半導(dǎo)體二極管 2.42.4半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用示例半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用示例2.1 2.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與半導(dǎo)體基礎(chǔ)與PNPN結(jié)結(jié) 2.1.1 2.1.1 半

2、導(dǎo)體及其特性半導(dǎo)體及其特性 一般一般金屬電阻率金屬電阻率為為10-910-6cm，絕緣體的絕緣體的電阻率電阻率為為10101020cm，半導(dǎo)體的電阻率半導(dǎo)體的電阻率為為 10-3109cm。由于半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣。由于半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，故稱為體之間，故稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體具有以下特性：半導(dǎo)體具有以下特性：（1）熱敏特性：）熱敏特性： （2）光敏特性：）光敏特性： （3）雜敏特性：）雜敏特性： 2.1.2 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 具有晶體結(jié)構(gòu)的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。具有晶體結(jié)構(gòu)的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。晶體通常具有規(guī)則的幾何形狀，在空間中按點陣晶體通常具

3、有規(guī)則的幾何形狀，在空間中按點陣（晶格）排列。最常用的半導(dǎo)體材料為硅（晶格）排列。最常用的半導(dǎo)體材料為硅（Si）和）和鍺（鍺（Se）。）。 價價電電子子共共價價鍵鍵共價鍵共價鍵共價鍵失去電共價鍵失去電子后留下的空子后留下的空位稱為位稱為空穴空穴，顯然具有空穴顯然具有空穴的原子帶正電。的原子帶正電。本征半導(dǎo)體產(chǎn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生熱激發(fā)時，生熱激發(fā)時，電子和空穴成電子和空穴成對出現(xiàn)。對出現(xiàn)。 熱激發(fā)、空穴與自由電子熱激發(fā)、空穴與自由電子自由電子和空穴的自由電子和空穴的復(fù)合、動態(tài)平衡復(fù)合、動態(tài)平衡在本征半導(dǎo)體中，在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不成對出現(xiàn)，同時又不斷復(fù)

4、合，故在一定溫斷復(fù)合，故在一定溫度下，載流子的熱激度下，載流子的熱激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平發(fā)和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，載流子的數(shù)目維衡，載流子的數(shù)目維持在一定的數(shù)目。持在一定的數(shù)目。 2.1.3 N2.1.3 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 為了提高其導(dǎo)電能力，應(yīng)增加載流子的數(shù)目，為了提高其導(dǎo)電能力，應(yīng)增加載流子的數(shù)目，在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其它元素（稱為摻雜），在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其它元素（稱為摻雜），形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。若摻入微量的形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。若摻入微量的5 5價元素（如磷、砷、價元素（如磷、砷、銻等），可大大提高自由電子濃度，這種雜質(zhì)半導(dǎo)銻等），可大大提高自由電子濃度，這種雜質(zhì)

5、半導(dǎo)體稱為體稱為N N型半導(dǎo)體，如摻入型半導(dǎo)體，如摻入3 3價元素（如硼），則可價元素（如硼），則可增加空穴數(shù)，形成增加空穴數(shù)，形成P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。1. N1. N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中摻入微量的在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中摻入微量的5 5價磷（價磷（P P）元）元素，則形成素，則形成NN型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。自由電子為自由電子為多數(shù)載流子，多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載空穴為少數(shù)載流子流子，故，故NN型型半導(dǎo)體也稱為半導(dǎo)體也稱為電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體，磷原子也稱為磷原子也稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。 2 2P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 如果在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中摻入微量的如果在硅或鍺的本

6、征半導(dǎo)體中摻入微量的3 3價硼價硼（B B）元素，則形成）元素，則形成P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體?？昭槎鄶?shù)載空穴為多數(shù)載流子流子，自由電子自由電子為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子，故故P P型半導(dǎo)體也稱型半導(dǎo)體也稱為為空穴半導(dǎo)體空穴半導(dǎo)體，硼原子也稱為硼原子也稱為受受主雜質(zhì)主雜質(zhì)。 2.1.4 PN2.1.4 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?2.1.4 .1 PN2.1.4 .1 PN結(jié)的形成結(jié)的形成 利用特殊的制造工藝，在一塊本征半利用特殊的制造工藝，在一塊本征半導(dǎo)體（硅或鍺）上，一邊摻雜成導(dǎo)體（硅或鍺）上，一邊摻雜成N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，一邊形成一邊形成P型半導(dǎo)體，在擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)型半導(dǎo)體

7、，在擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的作用下，在兩種半導(dǎo)體的交界面就會形動的作用下，在兩種半導(dǎo)體的交界面就會形成一個厚度穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，這就是成一個厚度穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，這就是PN結(jié)結(jié)擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動由于兩邊載流子濃由于兩邊載流子濃度的差異，度的差異，P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的中的“多子多子”空穴向空穴向N型區(qū)運(yùn)動，而型區(qū)運(yùn)動，而N半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的中的“多子多子”自由電自由電子向子向P型區(qū)運(yùn)動，故擴(kuò)型區(qū)運(yùn)動，故擴(kuò)散運(yùn)動是散運(yùn)動是多子多子的運(yùn)動的運(yùn)動 由于濃度的差由于濃度的差異形成的載流子運(yùn)異形成的載流子運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動動稱為擴(kuò)散運(yùn)動得到一個電子得到一個電子的硼負(fù)離子的硼負(fù)離子 失去一個電子失去一個電子的磷正離

8、子的磷正離子內(nèi)電場的形成內(nèi)電場的形成 在多子擴(kuò)散到交在多子擴(kuò)散到交界面附近時，自由界面附近時，自由電子和空穴復(fù)合，電子和空穴復(fù)合，留下不能移動的帶留下不能移動的帶電離子，如圖電離子，如圖2-8所所示。這帶正、負(fù)電示。這帶正、負(fù)電的離子形成了空間的離子形成了空間電荷區(qū)的內(nèi)電場電荷區(qū)的內(nèi)電場 在內(nèi)電場的作用在內(nèi)電場的作用下向，下向，P區(qū)的少子區(qū)的少子（電子）向（電子）向N區(qū)漂移，區(qū)漂移，N區(qū)的少子（空穴）區(qū)的少子（空穴）向向P區(qū)漂移，形成漂區(qū)漂移，形成漂移電流。移電流。 在在PN結(jié)剛形成時，擴(kuò)散運(yùn)動占主流，隨結(jié)剛形成時，擴(kuò)散運(yùn)動占主流，隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動逐漸增強(qiáng)，最終著內(nèi)電場的增強(qiáng)，漂移運(yùn)

9、動逐漸增強(qiáng)，最終擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動相等，達(dá)到動態(tài)平衡。擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動相等，達(dá)到動態(tài)平衡。漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動動態(tài)平衡動態(tài)平衡2.1.4.2 PN2.1.4.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦詧D 2-9 PN結(jié)加正向電壓N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)電場方向外電場方向RUFI1 1PNPN結(jié)外加正向電壓結(jié)外加正向電壓P區(qū)接電源的正極、區(qū)接電源的正極、N區(qū)接電源的負(fù)極，外電場區(qū)接電源的負(fù)極，外電場的方向與內(nèi)電場的方向相的方向與內(nèi)電場的方向相反，擴(kuò)散運(yùn)動大于漂移運(yùn)反，擴(kuò)散運(yùn)動大于漂移運(yùn)動，形成較大的擴(kuò)散電流，動，形成較大的擴(kuò)散電流，其方向是由其方向是由P區(qū)流向區(qū)流向N區(qū)，區(qū)，隨著外加電壓的增大正向隨

10、著外加電壓的增大正向電流也增大，稱之為電流也增大，稱之為PN結(jié)的正向?qū)?。結(jié)的正向?qū)āＵ螂娏靼▋刹糠郑嚎昭娏骱妥杂呻娮诱螂娏靼▋刹糠郑嚎昭娏骱妥杂呻娮与娏?。雖然兩種不同極性的電荷運(yùn)動方向相反，電流。雖然兩種不同極性的電荷運(yùn)動方向相反，但所形成的電流方向是一致的但所形成的電流方向是一致的2 2PNPN結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓圖 2-10 PN結(jié)加反向電壓N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN 結(jié)內(nèi)電場方向外電場方向RURIP P區(qū)接電源的負(fù)極、區(qū)接電源的負(fù)極、N N區(qū)接電源的正極，區(qū)接電源的正極，外電外電場的方向與內(nèi)電場的方場的方向與內(nèi)電場的方向相同，漂移運(yùn)動大于向相同，漂移運(yùn)動大于擴(kuò)散運(yùn)動

11、，外電場使得擴(kuò)散運(yùn)動，外電場使得P P區(qū)的空穴和區(qū)的空穴和N N區(qū)的自由區(qū)的自由電子從空間電荷區(qū)邊緣電子從空間電荷區(qū)邊緣移開，使空間電荷區(qū)變移開，使空間電荷區(qū)變寬，這有利于少子的形寬，這有利于少子的形成反向電流，此時成反向電流，此時PNPN結(jié)結(jié)反向截止，呈高阻態(tài)。反向截止，呈高阻態(tài)。反向電流也叫反向飽和電流用反向電流也叫反向飽和電流用I Is s表示表示2.2 2.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 (a) 二極管的表示符號 (b) 二極管的外型陽極陰極圖2-11 半導(dǎo)體二極管(a)(b)陰極陰極陽極陽極2.2.1 2.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)、類型及符號二極管的結(jié)構(gòu)、類型及符號 將一個將一個PN結(jié)封結(jié)

12、封裝起來，引出兩個電裝起來，引出兩個電極，就構(gòu)成半導(dǎo)體二極，就構(gòu)成半導(dǎo)體二極管，也稱晶體二極極管，也稱晶體二極管。管。電路中的表示符號和電路中的表示符號和二極管的外形如圖所示二極管的外形如圖所示點接觸型，用于高點接觸型，用于高頻檢波和開關(guān)電路頻檢波和開關(guān)電路面接觸型，用面接觸型，用于整流電路于整流電路平面型，用于高頻、平面型，用于高頻、開關(guān)、脈沖開關(guān)、脈沖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)有三種，點接觸型、面接二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)有三種，點接觸型、面接觸型、平面型，如圖觸型、平面型，如圖2-122-12所示。所示。2.2.2.12.2.2.1二極管的伏安特性二極管的伏安特性 v/uO圖2

13、-13 二極管伏安特性(1)(2)硅管鍺管RMU0.20.630201020406080mA/ i(3)2.2.2二極管的伏安特性及主要性能參數(shù) 二極管的伏安特性二極管的伏安特性就是二極管流過的電就是二極管流過的電流流i和兩端電壓和兩端電壓u之間之間的關(guān)系，如圖的關(guān)系，如圖2-131 1正向特性正向特性 此時硅二極管的正向?qū)▔捍藭r硅二極管的正向?qū)▔航翟诮翟?.60.8V，典型值取，典型值取0.7V；鍺二極管的正向?qū)▔航翟阪N二極管的正向?qū)▔航翟?.10.3V，典型值取，典型值取0.2V。 ) 1(T/SDUueIiv/uO圖2-13 二極管伏安特性(1)(2)硅管鍺管RMU0.20.63

14、0201020406080mA/ i(3) 正向電壓足夠大，超過開啟電正向電壓足夠大，超過開啟電壓后，內(nèi)電場的作用被大大削弱，壓后，內(nèi)電場的作用被大大削弱，電流很快增加，二極管正向?qū)?，電流很快增加，二極管正向?qū)?，如圖如圖2-13(1)段。段。正向特性也可以用下式近似表示正向特性也可以用下式近似表示其中：其中：Is為反向飽和電流，為反向飽和電流，UT為溫度電壓當(dāng)量，室為溫度電壓當(dāng)量，室溫下溫下UT=26mV2 2反向特性反向特性 v/uO圖2-13 二極管伏安特性(1)(2)硅管鍺管RMU0.20.630201020406080mA/ i(3) 此時二極管加反向電壓，陽此時二極管加反向電壓，

15、陽極電位低于陰極電位，二極管的極電位低于陰極電位，二極管的反向特性對應(yīng)圖反向特性對應(yīng)圖2-13曲線的（曲線的（2）段在二極管兩端加反向電壓時，段在二極管兩端加反向電壓時，其外加電場和內(nèi)電場的方向一致，其外加電場和內(nèi)電場的方向一致，當(dāng)反向電壓小于反向擊穿電壓時，當(dāng)反向電壓小于反向擊穿電壓時，由圖中可以看出，反向電流基本由圖中可以看出，反向電流基本恒定，而且電流幾乎為零，這是恒定，而且電流幾乎為零，這是由少數(shù)載流子漂移運(yùn)動所形成的由少數(shù)載流子漂移運(yùn)動所形成的反向飽和電流反向飽和電流硅管的反向電流要比鍺管小得多，小功率硅管的反向電流要比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流一般小于硅管的反向飽和電流一

16、般小于0.1A0.1A，鍺管，鍺管約為幾個微安約為幾個微安3擊穿特性 當(dāng)二極管反向電壓過高超過當(dāng)二極管反向電壓過高超過反向擊穿電壓時，二極管的反向反向擊穿電壓時，二極管的反向電流急劇增加，對應(yīng)圖電流急劇增加，對應(yīng)圖2-13圖中圖中的（的（3）段。由于這一段電流大、）段。由于這一段電流大、電壓高，所以電壓高，所以PN結(jié)消耗的功率結(jié)消耗的功率很大，容易使很大，容易使PN結(jié)過熱燒壞，結(jié)過熱燒壞，一般二極管的反向電壓在幾十伏一般二極管的反向電壓在幾十伏以上。以上。 v/uO圖2-13 二極管伏安特性(1)(2)硅管鍺管RMU0.20.630201020406080mA/ i(3)v/uO0.720mA

17、/ iC20C60C20C60圖2-14 溫度對二極管伏安特性的影響DI 溫度對二極管伏安特溫度對二極管伏安特性的影響如圖性的影響如圖2-14所示。所示。溫度升高時，正向特性左溫度升高時，正向特性左移，移，UBE下降；反向特性下降；反向特性下移，反向飽和電流增大。下移，反向飽和電流增大。溫度的影響溫度的影響2.2.2.2 2.2.2.2 主要性能參數(shù)（低頻參數(shù)）主要性能參數(shù)（低頻參數(shù)） 1 1額定整流電流額定整流電流IF 指二極管長期工作時，允許通過的最大正向平均電流值，指二極管長期工作時，允許通過的最大正向平均電流值，它是由它是由PN結(jié)的面積和散熱條件決定。使用中若超過此值，結(jié)的面積和散熱條

18、件決定。使用中若超過此值，PN結(jié)由于過熱發(fā)生熱擊穿結(jié)由于過熱發(fā)生熱擊穿 2 2最高反向工作電壓最高反向工作電壓URM 指保證二極管反向使用時，指保證二極管反向使用時，不被擊穿而允許加上的最高反向不被擊穿而允許加上的最高反向電壓。一般?。妷?。一般?。?/22/3)UBR 3 3反向飽和漏電流反向飽和漏電流Is和最大反向電流和最大反向電流IRM 反向飽和電流反向飽和電流Is指二極管加反向電壓時流過的電流。最指二極管加反向電壓時流過的電流。最大反向電流大反向電流IRM指二極管工作在最高反向工作電壓時的電流。指二極管工作在最高反向工作電壓時的電流。反向電流越大，說明管子的溫度穩(wěn)定性越反向電流越大，說

19、明管子的溫度穩(wěn)定性越差，其單向?qū)щ娦圆缓?。常溫下硅管的反向差，其單向?qū)щ娦圆缓?。常溫下硅管的反向飽和電流為飽和電流?010-9-9A A，而鍺管為，而鍺管為10-6A 。故在選。故在選擇二極管時，首選硅管，其具有反向耐壓管、擇二極管時，首選硅管，其具有反向耐壓管、反向電流小、溫度穩(wěn)定好等特定。反向電流小、溫度穩(wěn)定好等特定。DDDIUR V/uOmA/ i(a) 直流電阻的幾何意義1Q2Q1DI1DU2DU2DI4 4直流電阻直流電阻RD 二極管工作時對應(yīng)的電壓和二極管工作時對應(yīng)的電壓和電流，稱為靜態(tài)工作點，如電流，稱為靜態(tài)工作點，如Q1和和Q2，其直流電阻就是靜態(tài)工作點，其直流電阻就是靜態(tài)工

20、作點對應(yīng)的電壓和電流的比值。即對應(yīng)的電壓和電流的比值。即二極管正向?qū)〞r，電流越大，二極管正向?qū)〞r，電流越大，其值越小。反向截止時，由于電流其值越小。反向截止時，由于電流很小，故反向直流電阻很大。正反很小，故反向直流電阻很大。正反向電阻反差越大，說明二極管的單向電阻反差越大，說明二極管的單向?qū)щ娦栽胶?，另外利用這一點可向?qū)щ娦栽胶?，另外利用這一點可判斷二極管的方向判斷二極管的方向QDDQDDdddiuiurV/uOmA/ iQ(b) 交流電阻的幾何意義DiDu圖2-15 二極管的等效電阻(b)DIDU對于高頻參數(shù)有對于高頻參數(shù)有最高工作頻率和反向恢復(fù)時間最高工作頻率和反向恢復(fù)時間trr等等

21、5 5交流電阻交流電阻rd 指在靜態(tài)工作點附近電壓變化量指在靜態(tài)工作點附近電壓變化量和電流變化量的比值，即和電流變化量的比值，即當(dāng)二極管兩端電壓比較高時，交當(dāng)二極管兩端電壓比較高時，交流電阻可近似為流電阻可近似為QQd26QQTIIUr rd即為即為Q點的切線斜率，一般在幾十歐至幾百歐點的切線斜率，一般在幾十歐至幾百歐 2.2.2.3 2.2.2.3 二極管的測試二極管的測試 在使用二極管前，應(yīng)先判斷二極管的好壞，可用指針式在使用二極管前，應(yīng)先判斷二極管的好壞，可用指針式萬用表歐姆檔的萬用表歐姆檔的R1k (或或R100)檔位（注意不要用檔位（注意不要用R1(或或R10k)檔位，以免電流過大燒

22、壞二極管）。首先將萬用表撥檔位，以免電流過大燒壞二極管）。首先將萬用表撥到歐姆到歐姆R1k檔位，將兩個表筆短接，進(jìn)行調(diào)零檔位，將兩個表筆短接，進(jìn)行調(diào)零1 1正向特性的測定正向特性的測定 將指針式萬用表的黑表筆（指針式萬用表黑表筆接表內(nèi)將指針式萬用表的黑表筆（指針式萬用表黑表筆接表內(nèi)電池的正極）接到二極管的陽極，萬用表的紅表筆（指針式電池的正極）接到二極管的陽極，萬用表的紅表筆（指針式萬用表紅表筆接表內(nèi)電池的負(fù)極）接到二極管的陰極。如果萬用表紅表筆接表內(nèi)電池的負(fù)極）接到二極管的陰極。如果指針擺至量程的中間某位置，所測電阻為二極管的正向電阻，指針擺至量程的中間某位置，所測電阻為二極管的正向電阻，一

23、般正向電阻為幾百歐幾千歐。如果正向電阻很小甚至為一般正向電阻為幾百歐幾千歐。如果正向電阻很小甚至為零，則說明二極管內(nèi)部短路；如果正向電阻為無窮大，則說零，則說明二極管內(nèi)部短路；如果正向電阻為無窮大，則說明二極管內(nèi)部斷路。明二極管內(nèi)部斷路。2 2反向特性的測定反向特性的測定 將指針式萬用表的黑表筆接到二極管的陰極，紅表筆接將指針式萬用表的黑表筆接到二極管的陰極，紅表筆接到二極管的陽極。如果指針擺至量程的較大或接近無窮大，到二極管的陽極。如果指針擺至量程的較大或接近無窮大，所測電阻為二極管的反向電阻。一般反向電阻為幾十千歐所測電阻為二極管的反向電阻。一般反向電阻為幾十千歐幾百千歐。如果反向電阻很小

24、甚至為零，則說明二極管反向幾百千歐。如果反向電阻很小甚至為零，則說明二極管反向擊穿而損壞。擊穿而損壞。2.2.2.4 2.2.2.4 二極管的選用原則二極管的選用原則極限參數(shù)（最大反向電壓）應(yīng)大于器件在實際使用中可能極限參數(shù)（最大反向電壓）應(yīng)大于器件在實際使用中可能遇到的值，一般取實際值的遇到的值，一般取實際值的1.52倍；倍；選用反向電流小的二極管；選用反向電流小的二極管；硅管的反向耐壓高、反向電流小、耐溫性能好，應(yīng)作為首選。硅管的反向耐壓高、反向電流小、耐溫性能好，應(yīng)作為首選。如果要求閾值電壓和正向?qū)妷盒r，應(yīng)選用鍺二極管；如果要求閾值電壓和正向?qū)妷盒r，應(yīng)選用鍺二極管；導(dǎo)通電流較

25、大時，選用面接觸型二極管；工作頻導(dǎo)通電流較大時，選用面接觸型二極管；工作頻率較高時選用點接觸型二極管。率較高時選用點接觸型二極管。2.2.2.5 2.2.2.5 二極管的型號（國標(biāo)二極管的型號（國標(biāo)GB249-74GB249-74）國產(chǎn)半導(dǎo)體器件的型號由五部分組成：國產(chǎn)半導(dǎo)體器件的型號由五部分組成：2 A P 8 B第一部分：用阿拉伯?dāng)?shù)碼表示電極的數(shù)目，第一部分：用阿拉伯?dāng)?shù)碼表示電極的數(shù)目，2-二極管，二極管，3-三極管三極管第二部分：用漢語拼音表示器件的材料和極性，第二部分：用漢語拼音表示器件的材料和極性，A-N型鍺型鍺材料；材料；B-P型鍺材料；型鍺材料；C-N型硅材料；型硅材料；D-P型

26、硅材料型硅材料第三部分：用漢語拼音表示器件的類型用途，第三部分：用漢語拼音表示器件的類型用途，P-普通管；普通管；V-微波管；微波管；W-穩(wěn)壓管；穩(wěn)壓管；Z-參量管；參量管；U-光電管；光電管；K-開關(guān)管開關(guān)管第四部分：用數(shù)碼表示序號，同一系列參數(shù)的分檔第四部分：用數(shù)碼表示序號，同一系列參數(shù)的分檔第五部分：用漢語拼音表示同一系列元件參數(shù)的細(xì)分第五部分：用漢語拼音表示同一系列元件參數(shù)的細(xì)分請回答請回答問題說明下列型號的材料和作問題說明下列型號的材料和作用？用？1. 2CZ54A?2. 2AP22?3. 2DW90?4. 2BU2A?2.2.3 2.2.3 二極管的等效模型及其應(yīng)用二極管的等效模型

27、及其應(yīng)用 1. 1.小信號模型小信號模型 小信號時可認(rèn)為二極管的小信號時可認(rèn)為二極管的電壓和電流在伏安特性曲線上電壓和電流在伏安特性曲線上Q點附近小范圍變化，此時近點附近小范圍變化，此時近似認(rèn)為特性曲線是線性的，故似認(rèn)為特性曲線是線性的，故用過用過Q點的切線代替微小變化點的切線代替微小變化的曲線，如圖的曲線，如圖2-16a中中Q點附近點附近的小直角三角形所示，并由此的小直角三角形所示，并由此將工作在低頻小信號時的二極將工作在低頻小信號時的二極管等效成一個動態(tài)電阻管等效成一個動態(tài)電阻QDDdiurV/uOmA/ iQDiDuDIDUDuDidr代表符號(a) 小信號模型則則等效模型等效模型2.2

28、.大信號模型大信號模型 (1) (1) 折線模型折線模型 二極管的折線模型如圖二極管的折線模型如圖2-16(b)所示。所示。 二極管在許多情況下都是工作在大信號條件下二極管在許多情況下都是工作在大信號條件下(如整流二如整流二極管、開關(guān)二極管等極管、開關(guān)二極管等)。在大信號條件下，根據(jù)不同的精度要求，。在大信號條件下，根據(jù)不同的精度要求，二極管可以用折線模型、恒壓模型和理想模型來表示二極管可以用折線模型、恒壓模型和理想模型來表示其中：其中：Uth-閾值電壓（死區(qū)電壓）閾值電壓（死區(qū)電壓）意義為：二極管加反向電壓時，意義為：二極管加反向電壓時，i=0；加正向電壓時，當(dāng)；加正向電壓時，當(dāng)uUth,

29、曲線用斜率為曲線用斜率為1/rd的直線的直線代替代替等效電路等效電路(2) (2) 恒壓降模型恒壓降模型 二極管的恒壓降模型如圖二極管的恒壓降模型如圖2-16c所示所示 。當(dāng)二極管的正向?qū)▔航蹬c。當(dāng)二極管的正向?qū)▔航蹬c外加電壓相比不能忽略時，二極管外加電壓相比不能忽略時，二極管正向?qū)煽闯墒呛銐涸?，其電壓正向?qū)煽闯墒呛銐涸?，其電壓為二極管導(dǎo)通時的正向壓降為二極管導(dǎo)通時的正向壓降UT（硅（硅管典型值為管典型值為0.7V，鍺管典型值為，鍺管典型值為0.2V），且不隨電流變化而變化；），且不隨電流變化而變化；截止時反向電流為零，做開路處理。截止時反向電流為零，做開路處理。 等效電路等效電路

30、(3) (3) 理想模型理想模型 圖圖2-16d為二極管的理想模型。在二極為二極管的理想模型。在二極管的工作電壓幅度較大時，認(rèn)為可以忽略管的工作電壓幅度較大時，認(rèn)為可以忽略二極管的正向?qū)▔航岛头聪蝻柡碗娏?。二極管的正向?qū)▔航岛头聪蝻柡碗娏鳌?反偏壓時二極管截止電流為零，相反偏壓時二極管截止電流為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開等效電路當(dāng)于開關(guān)斷開等效電路即正偏時二極管導(dǎo)通電壓為零，相當(dāng)于即正偏時二極管導(dǎo)通電壓為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合；等效電路開關(guān)閉合；等效電路解：若要判斷二極管是導(dǎo)通還是截止，則可先假設(shè)二極管移開，解：若要判斷二極管是導(dǎo)通還是截止，則可先假設(shè)二極管移開，計算二極管的陽極和陰極之間的電位差。若

31、該電位差大于零，計算二極管的陽極和陰極之間的電位差。若該電位差大于零，則表明二極管可能導(dǎo)通；若該電位差小于或等于零，則二極管則表明二極管可能導(dǎo)通；若該電位差小于或等于零，則二極管截止。如圖所示截止。如圖所示例例2-1 電路如例電路如例2-1圖所示，設(shè)二極管是理想的圖所示，設(shè)二極管是理想的,試判試判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？并求輸出電壓斷二極管是導(dǎo)通還是截止？并求輸出電壓UAO 移去二極管移去二極管后的電路后的電路由可得兩個二極管的陽極和陰極之間的電位差分別為由可得兩個二極管的陽極和陰極之間的電位差分別為 0V 9V 9)(0D1U0V3)9(12D2U故二極管故二極管D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2截止。由

32、于二極管為理想二極管，所以截止。由于二極管為理想二極管，所以D1做短路處理，做短路處理，D2做開路處理，其等效電路如圖所示做開路處理，其等效電路如圖所示二極管等二極管等效電路效電路則輸出電壓則輸出電壓V0AOU例例2-2 例例2-2圖所示電路中的二極管是硅管，圖所示電路中的二極管是硅管，若二若二極管為理想二極管，則流過二極管中的電流是多少？極管為理想二極管，則流過二極管中的電流是多少？如果二極管正向?qū)▔航禐槿绻O管正向?qū)▔航禐?.7V，則流過二極管中，則流過二極管中的電流又是多少？的電流又是多少？若若U20V，且二極管正向?qū)▔?，且二極管正向?qū)▔航禐榻禐?.7V，則流過二極管中的電流又

33、是多少？，則流過二極管中的電流又是多少？解：解：(1)若二極管為理想二極管，二極管若二極管為理想二極管，二極管D承受正向電壓而承受正向電壓而導(dǎo)通，導(dǎo)通，UD0V，相當(dāng)于短路，如圖，相當(dāng)于短路，如圖理想二極管理想二極管等效電路等效電路(2) 如果二極管正向?qū)▔航禐槿绻O管正向?qū)▔航禐?.7V，先判斷二極管是導(dǎo)通還，先判斷二極管是導(dǎo)通還是截止。假設(shè)將二極管移開，如圖是截止。假設(shè)將二極管移開，如圖二極管中的電流為二極管中的電流為mA7 . 1107 . 4831DRUI移開二極管移開二極管的等效電路的等效電路則則R2兩端的電壓為兩端的電壓為VURRRU48. 083 . 07 . 43 . 0

34、212D由于硅二極管的死區(qū)電壓為由于硅二極管的死區(qū)電壓為0.5V，故二，故二極管截止，極管截止，ID0(3) 如例如例2-2圖圖b所示電路，若所示電路，若U20V，且二極管正向?qū)▔航?，且二極管正向?qū)▔航禐闉?.7V，則假設(shè)移開二極管如圖，則假設(shè)移開二極管如圖移開二極管移開二極管的等效電路的等效電路V2 . 1203 . 07 . 43 . 0212DURRRU則則R2兩端的電壓為兩端的電壓為其等效電路如圖所示其等效電路如圖所示 ，恒壓源兩端電壓為，恒壓源兩端電壓為UD0.7V由于二極管兩端電壓大于死區(qū)電壓，故由于二極管兩端電壓大于死區(qū)電壓，故D導(dǎo)通，二極管用恒壓源代替導(dǎo)通，二極管用恒壓源代

35、替二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通的等效電路的等效電路mA16. 23 . 07 . 07 . 47 . 0202D1DDRURUUI二極管的應(yīng)用范圍很廣泛，主要是由于二二極管的應(yīng)用范圍很廣泛，主要是由于二極管具有單向?qū)щ娦?，所以利用二極管可以極管具有單向?qū)щ娦?，所以利用二極管可以進(jìn)行整流、限幅、保護(hù)、檢波、鉗位及開關(guān)進(jìn)行整流、限幅、保護(hù)、檢波、鉗位及開關(guān)電路等。電路等。 則二極管中的電流為則二極管中的電流為2.3 2.3 特殊半導(dǎo)體二極管特殊半導(dǎo)體二極管 2.3.1 2.3.1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管及其應(yīng)用及其應(yīng)用 穩(wěn)壓管是一種由特殊工藝制成的穩(wěn)壓管是一種由特殊工藝制成的點接觸型硅二極管，與普通二極管相點接觸型

36、硅二極管，與普通二極管相比，其正向特性相似，而反向特性比比，其正向特性相似，而反向特性比較陡，其伏安特性如圖所示。較陡，其伏安特性如圖所示。穩(wěn)壓管工作時是在反向擊穿區(qū)，并穩(wěn)壓管工作時是在反向擊穿區(qū)，并且在一定電流范圍內(nèi)（且在一定電流范圍內(nèi)（IZ），穩(wěn)壓管），穩(wěn)壓管不會損壞。由于穩(wěn)壓管的擊穿是齊納擊不會損壞。由于穩(wěn)壓管的擊穿是齊納擊穿，故穩(wěn)壓管也稱為齊納二極管。穿，故穩(wěn)壓管也稱為齊納二極管。表示符號表示符號穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ最大穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流IZM 穩(wěn)壓管正常工作時的反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管正常工作時的反向擊穿電壓。 穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓時的

37、最小工作電流，當(dāng)實際電流小于穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓時的最小工作電流，當(dāng)實際電流小于此值時，穩(wěn)壓效果下降。此值時，穩(wěn)壓效果下降。 穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓時的最大工作電流，當(dāng)實際電流大于穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓時的最大工作電流，當(dāng)實際電流大于此值時，此值時，PN結(jié)會由于熱擊穿而損壞。結(jié)會由于熱擊穿而損壞。最大允許耗散功率最大允許耗散功率PZM 指穩(wěn)壓管的指穩(wěn)壓管的PN結(jié)不會由于熱擊穿而損壞的最大功率結(jié)不會由于熱擊穿而損壞的最大功率損耗，它等于穩(wěn)定電壓和最大穩(wěn)定電流的乘積。損耗，它等于穩(wěn)定電壓和最大穩(wěn)定電流的乘積。ZZIUrZZZuUUT1動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù)u 指穩(wěn)壓管正常工作區(qū)域內(nèi)，指穩(wěn)壓管正常工

38、作區(qū)域內(nèi)，兩端電壓的變化量與電流變化量兩端電壓的變化量與電流變化量的比值，即的比值，即動態(tài)電阻越小，反向特性越陡，動態(tài)電阻越小，反向特性越陡，穩(wěn)壓性能越好穩(wěn)壓性能越好指當(dāng)溫度變化指當(dāng)溫度變化1oC，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓相對變化量，即，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓相對變化量，即電壓溫度系數(shù)表示穩(wěn)壓管受溫度影響的程度，電壓溫度系數(shù)表示穩(wěn)壓管受溫度影響的程度，這是由于穩(wěn)壓管是工作在反向區(qū)域。這是由于穩(wěn)壓管是工作在反向區(qū)域。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RDZRLIUoUZU圖2-18 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RIZIoI 在負(fù)載變化不大的場合，穩(wěn)壓管常用來做穩(wěn)壓電源，由于在負(fù)載變化不大的場合，穩(wěn)壓管常用來做穩(wěn)壓電源，由于負(fù)載和

39、穩(wěn)壓管并聯(lián)，又稱為并聯(lián)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管在實際工作負(fù)載和穩(wěn)壓管并聯(lián)，又稱為并聯(lián)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管在實際工作時要和電阻相配合使用，其電路如圖時要和電阻相配合使用，其電路如圖2-18所示所示選擇穩(wěn)壓管一般取選擇穩(wěn)壓管一般取UZUo IZM(1.5 3) Iom UI = (23) Uo RDZRLIUoUZU圖2-18 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RIZIoILZZminZILZZMZIRUIUURRUIUUZMLZZIminIRURUUIZ可得電阻可得電阻R的取值范圍為的取值范圍為 當(dāng)負(fù)載電阻當(dāng)負(fù)載電阻RL和輸入電壓和輸入電壓UI一定時，電阻一定時，電阻R的選擇是根據(jù)穩(wěn)的選擇是根據(jù)穩(wěn)壓管的電流不超過正常工作范圍來

40、選的。穩(wěn)壓管的電流是在壓管的電流不超過正常工作范圍來選的。穩(wěn)壓管的電流是在IZmin IZ IZM之間，之間，RDZRLIUoUZU圖2-18 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RIZIoIUIUo（UZ）IZ IRUR Uo 穩(wěn)壓原理如下：穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)負(fù)載不變，輸入電壓當(dāng)負(fù)載不變，輸入電壓UI波動使得波動使得輸出電壓輸出電壓Uo升高，其調(diào)節(jié)過程為：升高，其調(diào)節(jié)過程為：若輸入電壓若輸入電壓UI不變，負(fù)載發(fā)生變化，如不變，負(fù)載發(fā)生變化，如RL增大，其調(diào)節(jié)過增大，其調(diào)節(jié)過程為：程為：RLUo（UZ）IZ IRUR Uo (1) 由電路可知，V6ZoUU mA 06100612ZIRRUUImA 041506Loo

41、RUI RDZRLIUoUZU圖2-18 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RIZIoI例例2-3 如圖如圖2-18所示電路中，所示電路中，UI12V ，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ6V，穩(wěn)定電流，穩(wěn)定電流IZ10mA，電阻，電阻R100，RL150 。(1)求求Uo、IR和穩(wěn)壓管實際工作電流和穩(wěn)壓管實際工作電流 IZ；(2)若穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流若穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流IZM =50mA，試問，試問UI允許波動的范圍是多少？允許波動的范圍是多少？(3)若若UI =12V，UZ=6V,穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流IZ10mA，最大穩(wěn)定電流，最大穩(wěn)定電流IZM =50mA，問負(fù)載，問負(fù)載電阻電阻RL允許變化的范圍是

42、多少？允許變化的范圍是多少？解解：（：（1）由電路可知）由電路可知則穩(wěn)壓管的實際工作電流為則穩(wěn)壓管的實際工作電流為 mA 024060oRZIII RDZRLIUoUZU圖2-18 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RIZIoI若穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流 IZM=50mA，而穩(wěn)定電流 IZ10mA，則由電路可知 ZoZZRI)(URIIURIU 當(dāng) IZ10mA 時 （2）若穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流）若穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流IZM =50mA，而穩(wěn)定電流為而穩(wěn)定電流為IZ =10mA則則 當(dāng) IZ10mA 時 V11610010)4010()(3ZoZIminURIIU 當(dāng) IZM50mA 時 將兩個電流代入上式得將兩個電流代入

43、上式得 當(dāng) IZM50mA 時 V15610010)4050()(3ZoZMImaxURIIU 故 UI允許波動的范圍是（1115）V。 故 UI允許波動的范圍是（1115）V。 RDZRLIUoUZU圖2-18 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RIZIoIZI=50mA，由電路可知 ZRoooLIIUIUR 當(dāng) IZ10mA 時 (3)若 UI =12V，UZ =6V,穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流 IZ10mA， 最大穩(wěn)定電流ZI=50mA，由電路可知 當(dāng) IZ10mA 時 12010606ZRoLminIIUR 當(dāng) IZM50mA 時 當(dāng) IZM50mA 時 60050606ZMRoLmaxIIUR 故 RL允許變化的范

44、圍是（120600），取其中合適的標(biāo)稱值電阻。 故 RL允許變化的范圍是（120600），取其中合適的標(biāo)稱值電阻。 2.3.2 2.3.2 半導(dǎo)體光電器件半導(dǎo)體光電器件 2.3.2 .1 2.3.2 .1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管也叫發(fā)光二極管也叫LED，它是由砷化鎵，它是由砷化鎵GaAs）、磷化鎵）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（）、磷砷化鎵（GaAsP）等半導(dǎo)體制成的，因此不僅）等半導(dǎo)體制成的，因此不僅具有一般具有一般PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，而且在一定條件下，它還具有結(jié)的單向?qū)щ娦裕以谝欢l件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入?yún)^(qū)注入P區(qū)，

45、空穴由區(qū)，空穴由P區(qū)區(qū)注入注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。故發(fā)光二極管工作時要加數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。故發(fā)光二極管工作時要加正正向電壓向電壓符號符號外形外形DRU工作電路工作電路其正向?qū)妷簽槠湔驅(qū)妷簽?.5V3V，工作電流為幾十毫安，一般管工作電流為幾十毫安，一般管腳長的為陽極。腳長的為陽極。2.3.2 .22.3.2 .2光電二極管光電二極管 光電二極管（也叫光敏二極管）是將光信號變成電信號的光電二極管（也叫光敏二極管）是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、

46、高頻性能好，半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點。它的核心部分也是一個可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點。它的核心部分也是一個PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，在光電二極管的管殼上有一個能射入光線的窗口，入射光照，在光電二極管的管殼上有一個能射入光線的窗口，窗口上鑲著玻璃透鏡，光線可通過透鏡照射到管芯，而且窗口上鑲著玻璃透鏡，光線可通過透鏡照射到管芯，而且PN結(jié)結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些， PN結(jié)的結(jié)深很淺，結(jié)的結(jié)

47、深很淺，一般小于一般小于1微米，這主要是為了提高光的轉(zhuǎn)換效率。微米，這主要是為了提高光的轉(zhuǎn)換效率。圖2-20 光電二極管的外形、符號及應(yīng)用電路UVDUoVD(a)(b)(c)符號符號圖2-20 光電二極管的外形、符號及應(yīng)用電路UVDUoVD(a)(b)(c)外形外形圖2-20 光電二極管的外形、符號及應(yīng)用電路UVDUoVD(a)(b)(c)工作電路工作電路光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)，在無光照時，反向電流光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)，在無光照時，反向電流很小（小于很?。ㄐ∮?.1A）；當(dāng)有光照時，會形成比無光照時大很）；當(dāng)有光照時，會形成比無光照時大很多的反向電流，這時會在負(fù)載兩端產(chǎn)生隨光照強(qiáng)

48、弱變化的電多的反向電流，這時會在負(fù)載兩端產(chǎn)生隨光照強(qiáng)弱變化的電壓信號。壓信號。2.3.3 2.3.3 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管VCD（Variable Capacitance Diode）是利用）是利用外加反向電壓改變二極管結(jié)電容容量的特殊二極管，與普通外加反向電壓改變二極管結(jié)電容容量的特殊二極管，與普通二極管相比，其結(jié)電容變化范圍較大二極管相比，其結(jié)電容變化范圍較大其中：其中：R為半導(dǎo)體材料的等效電阻，電容為半導(dǎo)體材料的等效電阻，電容C為變?nèi)荻樽內(nèi)荻O管的等效結(jié)電容，其容量與加到變?nèi)荻O管的反極管的等效結(jié)電容，其容量與加到變?nèi)荻O管的反向電壓有關(guān)，向電壓有關(guān)，Cjo是是uD=0時變?nèi)荻O管的電容量。時變?nèi)荻O管的電容量。 (a)VR符號符號等效電路等效電路(b)RC圖2-21 變?nèi)荻O管0DujCj0C電容壓控特性電容壓控特性2.3.4 2.3.4 快速二極管快速二極管