電路與電子學(xué)42

1、4.2 4.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型l 在在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。l (1) 點接觸型二點接觸型二極管極管(a)(a)點接觸型點接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 PN結(jié)面積小，結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。和變頻等高頻電路。1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型 PN結(jié)面積大，用于結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。工頻大電流

2、整流電路。(c)(c)平面型平面型陰極陰極引線引線陽極陽極引線引線PNP 型支持襯底型支持襯底 往往用于集成電往往用于集成電路制造中。路制造中。PN 結(jié)面積結(jié)面積可大可小，用于高頻可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路整流和開關(guān)電路中。中。 (3) 平面型二平面型二極管極管 (2)面接觸型二面接觸型二極管極管(4) 二極管的代表二極管的代表符號符號(b)(b)面接觸型面接觸型陽極陽極陰極陰極半導(dǎo)體二極管外型圖VmAVDRRW（a）測正向特性）測正向特性2. 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 l 二極管的伏安特性的測出。二極管的伏安特性的測出。VmAVDRRW（b）測反向特性）測反向特性(a)二極二極

3、管伏管伏安特性安特性CDoBAUBRuDiDD/DS(1)TUUiI e 正向特性正向特性l 死區(qū)電壓死區(qū)電壓：硅管：硅管 0.5V 鍺管鍺管 0.1Vl 線性區(qū)線性區(qū)：硅管：硅管 0.6V1V 鍺管鍺管 0.2V0.5V l 對溫度變化敏感：對溫度變化敏感：l 溫度升高溫度升高正向特性曲線正向特性曲線左左移移l 溫度每升高溫度每升高1正向壓降減正向壓降減小約小約2mV。(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性正向正向特性特性CDoBAUBRuDiD 反向特性反向特性l 反向電流：很小。反向電流：很小。 硅管硅管 0.1微安微安 鍺管鍺管 幾十個微安幾十個微安l 受溫度影響大：受溫度影響大：

4、 溫度每升高溫度每升高10 反向電流增加約反向電流增加約1倍。倍。 反向擊穿特性反向擊穿特性l 反向擊穿反向擊穿UBR:幾十伏以上。幾十伏以上。(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性反向擊反向擊穿特性穿特性CDoBAUBRuDiD反向反向特性特性DDDIUR 3 二極管的主要參二極管的主要參數(shù)數(shù)1）、直流電阻RD RD定義為：二極管兩端所加直流電壓UD與流過它的直流電流ID之比，即 RD不是恒定值，正向的RD隨工作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓增大而增大。 顯然，圖中Q1點處的RD小于Q2點處的RD 。 RD1RD22）、交流電阻）、交流電阻rD rD定義為：二極管在其工作狀態(tài)(ID

5、Q,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即DQDQDQDQUIUIDdiduIUr, rD的幾何意義見左圖 ，即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點處切線斜率的倒數(shù)。 /26TTTDQQu USDQDQUUdurdiI eII/DS(1)Tu UiI erD可以通過對式 求導(dǎo)得出，即二極管交流電阻rD的幾何意義室溫條件下(T=300K):26TUV 4) 、最高反向工作電壓最高反向工作電壓 UDRM 它是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓，它是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓，一般是一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。反向擊穿電壓的一半或三分之二。3) 、最大整流電流最大整

6、流電流 IFM 最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管的最大正向平均電流。5) 、 最大反向電流最大反向電流 IRM 它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。 6）、最高工作頻率）、最高工作頻率fM fM是與結(jié)電容有關(guān)的參數(shù)。工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔摹?4. 二極管的等效電路及應(yīng)用二極管的等效電路及應(yīng)用 l 二極管特性曲線的非線性，給二極管電路的分析帶來二極管特性曲線的非線性，給二極管電路的分析帶來一定困難。為了簡化分析，常常要做一些近似

7、處理，一定困難。為了簡化分析，常常要做一些近似處理，可用某些線性電路元件來等效二極管，畫出二極管的可用某些線性電路元件來等效二極管，畫出二極管的等效電路。等效電路。l 最常用的近似方法有二最常用的近似方法有二種。種。 理想二極管等效電路理想二極管等效電路 考慮正向壓降的等效電路考慮正向壓降的等效電路 理想二極管等效電路理想二極管等效電路uDiDoDK理想二極管等效電路理想二極管等效電路l 如果如果二極管導(dǎo)通時的正向壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電二極管導(dǎo)通時的正向壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓，壓，二極管截止時的反向電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與之并聯(lián)的電二極管截止時的反向電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與之并聯(lián)的電流，流，則可以忽略二極管

8、的正向壓降和反向電流，把二則可以忽略二極管的正向壓降和反向電流，把二極管理想化為一個開關(guān)，如圖所示。極管理想化為一個開關(guān)，如圖所示。 考慮正向壓降的等效電路考慮正向壓降的等效電路l 二二極管的極管的正向壓降正向壓降UD變化不大（例如硅管約為變化不大（例如硅管約為0.60.8V），可），可近近似認(rèn)為似認(rèn)為二極管正向?qū)〞r有一個二極管正向?qū)〞r有一個固定固定的管壓降的管壓降UD（硅管取（硅管取0.7V，鍺管取，鍺管取0.2V），于是），于是可用可用一固定電壓源來等效正向?qū)ǖ亩O管一固定電壓源來等效正向?qū)ǖ亩O管。l 當(dāng)當(dāng)外加電壓外加電壓UUD，因此常近似為UD = 0，可以用理想二極管等效電路

9、來分析電路的工作原理。l 當(dāng)交流電源u0時，二極管Dl、D3導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合；D2、D4截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開，如圖 (b)所示。因此輸出電壓uO = u。uuo+_RLD4D2 D1D3ioAB（b）+-uo+_u+_RLD4D2 D1D3ioAB（a）l 當(dāng)當(dāng)u 0且且uUR+UD時時，二極，二極管管D導(dǎo)通，開關(guān)閉合，導(dǎo)通，開關(guān)閉合，輸出電壓輸出電壓UO = UR十十UD。l 如右上圖所示當(dāng)如右上圖所示當(dāng)u 8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui V陰陰 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通若設(shè)若設(shè) UD=0.7V，則，則 UAB低于低于6V一個管壓降，一個管壓降，UA

10、B= 6.7V兩個二極管的陰極接在一起兩個二極管的陰極接在一起取取 B 點作參考點，點作參考點，斷開二極管斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽陽 =6 V，V2陽陽=0 V，V1陰陰 = V2陰陰= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通， D1截止。截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V例例D1承受反向電壓為承受反向電壓為6 V流過流過 D2 的電流為的電流為mA43122D I求：求：UAB 在這里，在這里， D2 起鉗起鉗位作用，位作用， D1起隔離起隔離作

11、用。作用。 BD16V12V3k AD2UAB+UO11.3VUO20VUO3-1.3VUO42VUO51.3VUO5-2V導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止設(shè)二極管的壓降為設(shè)二極管的壓降為0.7V，試分析下列各電路輸出電壓，試分析下列各電路輸出電壓為多少？為多少？5. 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管l 它的伏安特性與二極管基本相同，只是穩(wěn)壓管正常工它的伏安特性與二極管基本相同，只是穩(wěn)壓管正常工作時是作時是利用特性曲線的反向擊穿區(qū)利用特性曲線的反向擊穿區(qū)。l 電電流有很大改流有很大改變而電壓基本不變的特性稱為變而電壓基本不變的特性稱為穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓特性，穩(wěn)壓管就是利用這一特性工作的。穩(wěn)壓管就

12、是利用這一特性工作的。UIOUZIZ UZ IZIZM（b）陰極陰極陽極陽極（a）l 穩(wěn)壓二極管亦稱穩(wěn)壓二極管亦稱齊齊納二極管納二極管(Zener Diodes)，工工作在作在PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿區(qū)區(qū)。（ V o l t a g e Regulators）。）。 l 穩(wěn)壓管的符號和特穩(wěn)壓管的符號和特性曲線如圖所示。性曲線如圖所示。1 1、穩(wěn)、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：壓管的主要參數(shù)： 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZl UZ是穩(wěn)壓管反向擊穿后的穩(wěn)定工作電壓值。是穩(wěn)壓管反向擊穿后的穩(wěn)定工作電壓值。l 例如穩(wěn)壓管例如穩(wěn)壓管2CWl的穩(wěn)定電壓是的穩(wěn)定電壓是78.5V。由于工藝上。由于工藝上的困難，同一型號的管子

13、，穩(wěn)定電壓值有一定的分散的困難，同一型號的管子，穩(wěn)定電壓值有一定的分散性，就是說，同樣都是性，就是說，同樣都是2CWl型的管子，一個穩(wěn)定電型的管子，一個穩(wěn)定電壓是壓是7V，而另一個卻可能是，而另一個卻可能是8.5V。動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZl rZ是穩(wěn)壓管在穩(wěn)定工作范圍內(nèi)管子兩端電壓的變化是穩(wěn)壓管在穩(wěn)定工作范圍內(nèi)管子兩端電壓的變化量與相應(yīng)電流變化量之量與相應(yīng)電流變化量之比即比即l rZ越小，表示穩(wěn)壓作用越好越小，表示穩(wěn)壓作用越好。一個穩(wěn)壓管。一個穩(wěn)壓管rZ的大小與的大小與工作電流有關(guān)，工作電流越大，工作電流有關(guān)，工作電流越大，rZ越小。越小。ZZZUrI穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZl 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ

14、是穩(wěn)壓管工作時的參考電流數(shù)值，手冊上給是穩(wěn)壓管工作時的參考電流數(shù)值，手冊上給出的穩(wěn)定電壓和動態(tài)電阻都是指在這個電流下的值。出的穩(wěn)定電壓和動態(tài)電阻都是指在這個電流下的值。l 工作電流若小于穩(wěn)定電流工作電流若小于穩(wěn)定電流IZ，則，則rZ增大，穩(wěn)壓增大，穩(wěn)壓性較性較差；差；l 工作電流工作電流若大于穩(wěn)定電流，若大于穩(wěn)定電流，rZ減小，穩(wěn)壓性能較好減小，穩(wěn)壓性能較好，但，但是要注意管子的功率損耗不要超出允許值。是要注意管子的功率損耗不要超出允許值。 額定功耗額定功耗PZMl PZM是由管子允許溫升限定的最大功率損耗。是由管子允許溫升限定的最大功率損耗。l 如果已知管子的穩(wěn)定電壓值，那么額定功耗除以穩(wěn)定

15、如果已知管子的穩(wěn)定電壓值，那么額定功耗除以穩(wěn)定電壓就是該穩(wěn)壓管允許的最大穩(wěn)定電流電壓就是該穩(wěn)壓管允許的最大穩(wěn)定電流IZM=PZM/UZ。超過這個電流使用，就可能損壞管子。超過這個電流使用，就可能損壞管子。電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù)l 溫度變化溫度變化1時，穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?shù)時，穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?shù)，定義為電，定義為電壓溫度系數(shù)。它是表示穩(wěn)壓管溫度穩(wěn)定性的參數(shù)。壓溫度系數(shù)。它是表示穩(wěn)壓管溫度穩(wěn)定性的參數(shù)。l 電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好。電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好。l 通常，通常，穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ低于低于4V的管子，溫度系數(shù)是負(fù)的的管子，溫度系數(shù)是負(fù)的（齊納擊穿），高于（齊納擊穿）

16、，高于6V的管子，溫度系數(shù)是正的的管子，溫度系數(shù)是正的（雪（雪崩擊穿），而崩擊穿），而穩(wěn)定電壓在穩(wěn)定電壓在4V6V左右的管子，溫度系數(shù)左右的管子，溫度系數(shù)最小，接近于零最小，接近于零。所。所以，要求溫度穩(wěn)定性較高的場合常以，要求溫度穩(wěn)定性較高的場合常選用選用6V左右的管子左右的管子。 l 為了制造溫度系數(shù)小的管子，可采取溫度補償措施。為了制造溫度系數(shù)小的管子，可采取溫度補償措施。例如例如2DW7系列的穩(wěn)壓管就是這種管子，它是由二個系列的穩(wěn)壓管就是這種管子，它是由二個穩(wěn)壓值相同的管子反向串聯(lián)起來的，如圖所示。穩(wěn)壓值相同的管子反向串聯(lián)起來的，如圖所示。123具有溫度補償?shù)姆€(wěn)壓管圖具有溫度補償?shù)姆€(wěn)壓

17、管圖l 工作時一個管子處于正向，有工作時一個管子處于正向，有負(fù)溫度系數(shù)，另一個管子處于負(fù)溫度系數(shù)，另一個管子處于反向，有正溫度系數(shù)，二者互反向，有正溫度系數(shù)，二者互相補償，將相補償，將1、2兩端的電壓溫兩端的電壓溫度系數(shù)減到很小的程度。度系數(shù)減到很小的程度。穩(wěn)穩(wěn)壓二極壓二極管的溫度補償管的溫度補償2 2、穩(wěn)、穩(wěn)壓管的應(yīng)用電路壓管的應(yīng)用電路l 為了限制穩(wěn)壓管擊穿以為了限制穩(wěn)壓管擊穿以后的電流，使用時必須后的電流，使用時必須在電路中串聯(lián)電阻如圖在電路中串聯(lián)電阻如圖所所示。示。RzUzDzI+-U+-穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管電路l UUZ時，穩(wěn)壓管擊穿時，穩(wěn)壓管擊穿l 必須適當(dāng)選擇必須適當(dāng)選擇R值，使得值，使得IIZM。l R稱為限流電阻。稱為限流電阻。 ZUUIR穩(wěn)壓二極管工作原理穩(wěn)壓二極管工作原理 + R - IR + - RL IO UO UI IZ DZ 輸出電壓穩(wěn)定的條件ZLLIURRRUUI不穩(wěn)定RL改變oIUUIRoIUUIRLLLLLLLLLLLLLoULRoUZUZIIIRLLLLLLLLLLLLLoUIUIRIZIZUoUl 在不需考慮穩(wěn)壓管的電壓在不需考慮穩(wěn)壓管的電壓變化量的情況下