半導(dǎo)體二極管及其電路ppt課件

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其他類型二極管其他類型二極管2.12.1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1 .1 .半導(dǎo)體二極管的構(gòu)造半導(dǎo)體二極管的構(gòu)造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5.5.二極管運(yùn)用電路二極管運(yùn)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)二極管。二結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按構(gòu)造分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。極

2、管按構(gòu)造分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(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)面積小，結(jié)電容小，用于結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高檢波和變頻等高頻電路。頻電路。(a)(a)點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 二極管的構(gòu)造表示圖二極管的構(gòu)造表示圖(3) 平面型二極管平面型二極管 往往用于集成往往用于集成電路制造藝中。電路制造藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電于高頻整流和開關(guān)電路中。路中。(2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 PN結(jié)面積結(jié)面積大，用于工頻大大，用于工頻大電流整流電路。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

3、陽(yáng)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 V0.5 V鍺管鍺管0.1 V0.1 VOiD正

4、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(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急劇增大。急劇增大。2反向特性反向特性 IS=硅管小于硅管小于0.10.1微安微安鍺管幾十到幾百微安鍺管幾十到幾百微安OiD正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)

5、死區(qū)電壓電壓U ( BR)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，擊穿的類型擊穿的類型根據(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，二極管仍能正常任務(wù)。降低反向電壓，二極管仍能正常任務(wù)。PN結(jié)被燒壞，呵斥二極管永久性的損壞。結(jié)被燒壞，呵斥二極管永久性的損壞。二極管發(fā)生反向擊穿后，假設(shè)二極管發(fā)生反向擊穿后，假設(shè)a. 功耗功耗PD( = |UDI

6、D| )不大不大b. PN結(jié)的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150200oC150200oC鍺管鍺管75100oC75100oC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，反相飽和電流添加相飽和電流添加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/ uD/ T = T = 22.522.

7、5mV/ mV/ C C2. 溫度升高，反向飽和電流增大。溫度升高，反向飽和電流增大。)(2)(0S10S0TITITT 即即 溫度每升高溫度每升高1 1C C，管壓降降低，管壓降降低22.522.5mVmV。即即 平均溫度每升高平均溫度每升高1010C C，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)轉(zhuǎn)所允許經(jīng)管子長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)所允許經(jīng)過(guò)的電流平均值。過(guò)的電流平均值。 二極管能接受的最高反二極管能接受的最高反向電壓。向電壓。OiD正向特性正向特性

8、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. 最高允許反向任務(wù)電壓最高允許反向任務(wù)電壓UR為了確保管子平安任務(wù)，所為了確保管子平安任務(wù)，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=1/22/3U(BR)反向電流大，闡明管子的單導(dǎo)游電性差，因此反向電流反向電流大，闡明管子的單導(dǎo)游電性差，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

9、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倍。大幾十到幾百倍。4.4.最高任務(wù)頻率最高任務(wù)頻率fMfM 最高任務(wù)頻率是二極管任務(wù)的上限截止頻率，超越此值時(shí)，由于結(jié)電容的作用，二極管不能很好的表達(dá)單導(dǎo)游電性。 以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的運(yùn)用是以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的運(yùn)用是主要利用它的單導(dǎo)游電性，主要運(yùn)用于整流、限幅、主要利用它的單導(dǎo)游電性，主要運(yùn)用于整流、限幅、維護(hù)等等。維護(hù)等等。000DDDDv v v vov壓降為二極管開路時(shí)的外加二極管的壓降 O/V 斜斜率率 D/VonDonDonDDVvV

10、v Vv vov壓降為二極管開路時(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: : 折線模型以為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著經(jīng)過(guò)二極管電流的添加而添加，所以在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電阻rD來(lái)作進(jìn)一步的近似。其中電池的電壓為二極管的門坎電壓Vth或者說(shuō)導(dǎo)通電壓VD(on)。rD的值，可以這樣來(lái)確定，如當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，管壓降為07V那么：rD=07 V-05 V/1mA=200 4. 4. 小信號(hào)模型小信號(hào)模型 二極管任務(wù)在正向特性的某一小

11、范圍內(nèi)時(shí)，二極管任務(wù)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)微變電阻。其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。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 dd1gr 那那么么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導(dǎo)游通、小信號(hào)模型只適用于二極管處于正導(dǎo)游通且信號(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

12、降模型運(yùn)用最普遍、恒壓降模型運(yùn)用最普遍RLuiuouiuott1 1、二極管半波整流：、二極管半波整流：2、 限幅電路限幅電路任務(wù)原理任務(wù)原理a. 當(dāng)當(dāng)ui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FiUu b. 當(dāng)當(dāng)ui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+iuVi VRVi VR時(shí)，二極管導(dǎo)通，時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo=vivo=vi。Vi VRVi VR

13、時(shí)，二極管截止，時(shí)，二極管截止， vo=VRvo=VR。 例2：理想二極管電路中 vi= Vm sint V，求輸出波形v0。解：利用二極管的利用二極管的單導(dǎo)游電性可單導(dǎo)游電性可作為電子開關(guān)作為電子開關(guān)vI1 vI2二極管任務(wù)形狀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vI1vI1和和vI2vI2不同值組合時(shí)不同值組合時(shí)的的v0v0值二極管值二極管為理想模型。為理想模型。解：解：4、在檢波電路中的運(yùn)用無(wú)線通訊、在檢波電路中的運(yùn)用無(wú)線通訊用音頻信號(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

14、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) 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似正向特性與普通管類似穩(wěn)壓管通常任務(wù)于反穩(wěn)壓管通常任務(wù)于反向電擊穿形狀向電擊穿形狀伏安特性伏安特性+ +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VZVZ(2) (2) 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rZrZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向任務(wù)在規(guī)定的穩(wěn)壓管

15、反向任務(wù)電流電流IZIZ下，所對(duì)應(yīng)的反向任務(wù)電下，所對(duì)應(yīng)的反向任務(wù)電壓。壓。rZ =rZ =VZ /VZ /IZIZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZMPZM(4)(4)最大穩(wěn)定任務(wù)電流最大穩(wěn)定任務(wù)電流 IZmax IZmax 和最小穩(wěn)定任務(wù)電流和最小穩(wěn)定任務(wù)電流 IZminIZmin穩(wěn)壓條件：穩(wěn)壓條件：IZmin IZ IZmaxIZmin IZ 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能夠?yàn)檎?，也能夠?yàn)樨?fù)。能夠?yàn)檎?，也能夠?yàn)樨?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

16、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%20%動(dòng)搖時(shí)，負(fù)載電壓根本不變。動(dòng)搖時(shí)，負(fù)載電壓根本不變。穩(wěn)壓二極管的運(yùn)用舉例穩(wěn)壓二極管的運(yùn)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：令輸入電壓到達(dá)上限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電解：令輸入電壓到達(dá)上限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為流為Izmax Izmax 。求：電阻求：電阻R R和輸入電壓和輸入電壓 ui ui 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)

17、，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 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.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)出從紅外到可見波段的紅外到可見波段的光，它的電特性與光，它的電特性與普通二極管類似。普通二極管類似。二、二、 光電二極管光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的添加而上升。反向電流隨光照強(qiáng)度的添加而上升。IU照度添加照度添加三、變?nèi)荻O

18、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外利用二極管的結(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)體接觸構(gòu)成勢(shì)壘，不存在少數(shù)載型半導(dǎo)體接觸構(gòu)成勢(shì)壘，不存在少數(shù)載流子在流子在PNPN結(jié)附近積累和散失過(guò)程，電容效應(yīng)非常適宜結(jié)附近積累和散失過(guò)程，電容效應(yīng)非常適宜高頻。高頻。電阻量程電阻量程 1 1 10 10 100 100 1k1k測(cè)得電阻值測(cè)得電阻值 31 210 1.1 k 31 210 1.1 k 11.5 k11.5 k例例1 用萬(wàn)用表丈量

19、二極管的正向直流電阻用萬(wàn)用表丈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。現(xiàn)用的量程不同，測(cè)得的電阻值相差很大。現(xiàn)用MF30 型型萬(wàn)用表丈量某二極管的正向電阻，結(jié)果如下表，試分萬(wàn)用表丈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緣由。析所得阻值不同的緣由。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，判別它們?cè)趫D為理想二極管，判別它們?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：假設(shè)解：假設(shè)D1、D2斷開斷開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

20、，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=10sint(v)。分別畫出它們的輸出波形和傳輸特性。分別畫出它們的輸出波形和傳輸特性Uo=f(ui)。解：假設(shè)解：假設(shè)D斷開，圖斷開，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；Ui0.7V,D1vi0.7V,D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，vo=0.7Vvo=0.7V；VDvi-0.7V,D2vi-0.7V,D2導(dǎo)通導(dǎo)通,vo=-0.7V,vo=-0.7V；-0.7Vvi0.7V, D1-0.7Vvi0.7V, D1、D2D2均截止均截止,vo=vi,vo=vi。Rvi(t)vo(t)D1 D2例例5：雙向限幅電路：如以下圖，設(shè)：雙向限幅電路：如以下圖，設(shè)vi(t)=3sint , Vth=0.5V，R=1K, rD=200,利用折線模型，畫出輸出波形。利用折線模型，畫出輸出波形。解：假折線模型電路為：解：假折線模型電路為：0.923-30.5-0.5 假設(shè)假設(shè)D1D1、D2D2斷開，斷開，D1D1陰極陰極0.5V0.5V，D2D2陽(yáng)極陽(yáng)極-0.5V-0.5V，-0.92Vth vi-0.5V,D2 vi-0.5V,D2導(dǎo)通導(dǎo)通,vo= =