半導(dǎo)體二極管解析課件

1、2.2 晶體二極管晶體二極管及其電路分析穩(wěn)壓管及其電路分析總目錄下頁(yè)特殊二極管主要內(nèi)容學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握各種二極管的認(rèn)知規(guī)律、特性和電路的分析方法。2.2 晶體二極管晶體二極管及其電路分析穩(wěn)壓管及其電路分2.2 晶體二極管(Semiconductor diode )一、 二極管(Diode)結(jié)構(gòu)常用二極管圖片普通小功率二極管大功率二極管各種發(fā)光二極管下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2.2 晶體二極管(Semiconductor diode 一、 晶體二極管(Diode) 1、半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)、圖形、符號(hào)由一個(gè)PN結(jié)加電極引線與外殼制成。DPN陽(yáng)極或正極陰極或負(fù)極陽(yáng)極或正極anode陰極或負(fù)極cathodeD下頁(yè)上頁(yè)首

2、頁(yè)對(duì)應(yīng)P區(qū)對(duì)應(yīng)N區(qū)一、 晶體二極管(Diode) 1、半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)、圖形、從材料分：硅二極管和鍺二極管。 按PN結(jié)接觸面的大小分：PN結(jié)接觸面小點(diǎn)接觸型：PN結(jié)接觸面小，不能通過(guò)大電流但其結(jié)電容小，常用于高頻檢波及小電流整流，使用時(shí)不能承受較高的反向電壓和大電流。面接觸型：PN結(jié)接觸面積大，通過(guò)的正向電流比點(diǎn)接觸型大，常用作整流管，但結(jié)電容大，適用于低頻電路。PN結(jié)接觸面大下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)半導(dǎo)體二極管類型按用途分：普通、整流、開關(guān)型二極管等。從材料分：硅二極管和鍺二極管。 按PN結(jié)接觸面的大小分：PN 晶體二極管的結(jié)構(gòu)類型:在PN結(jié)上加上引線和封裝，組成一個(gè)二極管二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型

3、平面型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路可用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，常用于高頻整流和開關(guān)電路中。 晶體二極管的結(jié)構(gòu)類型:在PN結(jié)上加上引線和封裝，組成一個(gè)二 半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)查閱手冊(cè) 半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例下頁(yè)上302010I/mAU/V0.5 1.0 1.5 20 1024-I/O正向特性死區(qū)電壓IsUBR反向特性+-UDI2. 二極管的伏安特性下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)伏安特性：二極管的端電壓與電流之間的關(guān)系。伏安特性曲線：描述二極管的端電壓與電流之間的關(guān)系

4、曲線。302010I/mAU/V0.5 1.0 正向伏安特性測(cè)試電路mAVDERU+WI2 、二極管的伏安特性O(shè)A正向死區(qū)UrAB正向?qū)▍^(qū)硅0.5V左右鍺0.1V左右硅0.5V - 0.7V鍺0.1V - 0.3V死區(qū)電壓正向特性0.5 1.0 1.5102030U/VI/mA0 二極管正向特性曲線 正向特性 電流與電壓關(guān)系近似指數(shù)關(guān)系。死區(qū)電壓導(dǎo)通壓降下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)若U UT 則Ur正向伏安特性測(cè)試電路mAVDERU+WI2 、二極管的伏安反向伏安特性測(cè)試電路EAVDRU+WIOC反向截止區(qū)CD反向擊穿區(qū)硅- nA級(jí)鍺-A級(jí) 反向特性2 、二極管的伏安特性IS反向特性UBR反向飽和電流反向擊

5、穿電壓-2-4-I/AI/mAU/V-20 -100CD下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè) 說(shuō)明：反偏時(shí)，反向電流很小，反向電阻很大，反向電壓超過(guò)UBR則被擊穿。U0，若|U| UT則 I - IS 理想化的伏安特性：死區(qū)電壓、導(dǎo)通壓降、反向電流等于零。反向伏安特性測(cè)試電路EAVDRU+WIOC反向截止區(qū)硅1.單向?qū)щ姟?.正偏：起始部分存在一個(gè)死區(qū)或門坎，稱為門限電壓。 硅：Ur=0.5-0.7v; 鍺：Ur=0.1-0.2vI 隨U，呈指數(shù)規(guī)率3.反偏：額定電壓時(shí)，相同溫度下： Is硅(nA,10-9)EG(Ge）)I = - Is 基本不變4.當(dāng)反壓增大超過(guò)UBR時(shí)，發(fā)生反向擊穿， UBR稱為實(shí)際反向擊穿電壓

6、。實(shí)測(cè)伏安特性，5.溫度對(duì)二極管的影響18頁(yè)：Is：一倍/10U: 22.5mV/1小結(jié)：1.單向?qū)щ?。?shí)測(cè)伏安特性，5.溫度對(duì)二極管的影響18回顧：0、緒論1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理2、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?、二極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、電路圖形、伏安特性什么是N型半導(dǎo)體？什么是P型半導(dǎo)體？將兩種半導(dǎo)體制作在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？思考：回顧：0、緒論什么是N型半導(dǎo)體？什么是P型半導(dǎo)體？將兩種半導(dǎo)N P結(jié)上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？為什么具有單向?qū)щ娦?？?jī)煞N半導(dǎo)體制作在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流嗎？在N P結(jié)加反向電壓時(shí)真沒(méi)有電流嗎？二極管具有什么特性？導(dǎo)通區(qū)伏安特性的變化規(guī)律？截止區(qū)伏安特性的變化規(guī)律？還有什

7、么工作區(qū)域？二極管與PN結(jié)的聯(lián)系？ N P結(jié)上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？為什么具有單向?qū)щ娊Y(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦远O管伏安方程：U0，若|U| UT則 I - IS 式中： IS為反向飽和電流 UT 是溫度電壓當(dāng)量， 常溫下UT近似為26mV。若U UT 則下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)+-UDI正向?qū)?-UDIS反向截止結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦远O管伏安方程：U0，若|U| 結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦远O管的正常工作區(qū)：正向正向?qū)▍^(qū)；反向截止區(qū)。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)+-UDI正向?qū)?-UDIS反向截止理想化的伏安特性：死區(qū)電壓、導(dǎo)通壓降、反向電流等于零。結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦远O管的正常工作區(qū)：

8、下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)+4、二極管的主要參數(shù)最大整流電流 IF：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)管子的最大正向平均電流。IF由二極管允許的溫升所限定。 下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)反向電流 IR：二極管兩端加規(guī)定反向電壓時(shí)，流過(guò)管子的反向電流。IR值愈小愈好。 IR受溫度的影響很大。最高工作頻率 fM ：fM值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，則二極管允許的最高工作頻率愈低。最高反向工作電壓 UR：工作時(shí)二極管兩端的反向電壓不得超過(guò)此值，否則二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常將實(shí)際擊穿電壓UBR的一半定為UR 。 結(jié)電容：勢(shì)壘電容 Cb擴(kuò)散電容 Cd4、二極管的主要參數(shù)最大整流電流 IF：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行正向電壓

9、：(1).Q點(diǎn)正向電阻R正比于tg 。(2).R與Q有關(guān)，Q不同,R也不同反向電壓：I很小，R很大。UDIDVD0IUQUDID為非線性電阻：用靜態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻描述直流電阻：3.二極管的等效電阻：定義：R=UD/ID; 工作點(diǎn)tg= UD/ID 二極管的正向伏安特性正向電壓：UDIDVD0IUQUDID為非線性電阻：用靜態(tài)(1).MN為直流負(fù)載線(2).MN的斜率 tg = NO/ OM = -1/ RLIDEDDRLUDED/ RLUD=ED-IDRL; ID=f(UD) 兩條曲線的交點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)Q：靜態(tài)工作點(diǎn)Q：Q(3).Q點(diǎn)的直流電阻: R=UD/ID0UDIDEDMNQUDID(1

10、).MN為直流負(fù)載線IDEDDRLUDED/ RLUD=作Q的切線，則有: rD=U/I; 或rD=du/di因?yàn)?iD=Is(e UD/ UT-1); 交流電導(dǎo) g=dI/dU=ID/UT(19頁(yè)）交流電阻：r=1/g= UT/ID室溫下：UT=26mv交流電阻：rD = 26mv/ ID (mA)IQ0UU I 二極管工作時(shí)既有直流，又有交流。二極管的交流等效電阻rDui交流電阻很小，約為幾歐姆到幾十歐姆。結(jié)論見(jiàn)19頁(yè)。作Q的切線，則有: rD=U/I; IQ0UU5、二極管的模型2)折線模型（20頁(yè)）3)交流小信號(hào)模型（21頁(yè)）rSrdCjiuUruDrDiDVDiDQ0uDuD iDi

11、D0uDUr1)理想二極管開關(guān)模型20頁(yè)）iD0uDUr=0SIS=0大信號(hào)模型小信號(hào)模型5、二極管的模型2)折線模型（20頁(yè)）3)交流小信號(hào)模型（2例1已知理想二極管電路uI = Umsin t ，畫出uO 、io 和uD的波形。DR+-+-uIuO+-uDiOUmtuoOtuDOuI0 時(shí)二極管導(dǎo)通，uO = uI uD = 0uI 0 時(shí)二極管截止，uD = uI uO = 0-UmioUmtuIO下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)二極管應(yīng)用例題作用？整流UDC=0.45UIUR=? IF=?例1已知理想二極管電路uI = Umsin t ，畫出【例2】 電路如圖所示，已知E5V，輸入信號(hào)為正弦波ui10si

12、nt V，二極管的正向?qū)妷簽?.6V，畫出輸出電壓信號(hào)的波形圖。 這個(gè)電路仍是分析二極管的導(dǎo)通與否，圖中二極管的正極接信號(hào)電壓ui ，二極管的負(fù)極接電源E的正極，兩個(gè)量進(jìn)行比較，確定二極管的導(dǎo)通與否。分析方法：【解 】上頁(yè)首頁(yè)二極管應(yīng)用例題(非理想）【例2】 電路如圖所示，已知E5V，輸入信號(hào)為正弦波ui 當(dāng)ui E0.6V（導(dǎo)通電壓）時(shí)，二極管截止，此時(shí)二極管無(wú)電流通過(guò)，uoui【例2】分析方法：【解 】 當(dāng)ui E0.6V（導(dǎo)通電壓）時(shí)，二極管導(dǎo)通，uo E0.6V5.6V。 輸出電壓波形圖虛線為輸入電壓波形。ui E0.6Vui E0.6V上頁(yè)首頁(yè)作用？限幅已知E5V 當(dāng)ui E0.

13、6V（導(dǎo)通電壓）時(shí)，二極管截【例3】 在所示電路中，已知輸入端A的電位VA3.6V，輸入端B的電位VB0.3V，電阻R10 k ，VE9V，二極管的導(dǎo)通電壓為0.2V，求輸出端F的電位和流過(guò)R的電流I。 分析方法：【解 】上頁(yè)首頁(yè)DA導(dǎo)通，DB截止。VF3.60.2=3.4V 當(dāng)數(shù)個(gè)二極管的負(fù)極（正極）并聯(lián)在一點(diǎn)，而加在這些二極管的正極（負(fù)極）電位各不相同，且都高于負(fù)極（低于正極）電位時(shí)，正極最高（負(fù)極最低）的二極管先導(dǎo)通。流過(guò)R中的電流為作用？鉗位隔離【例3】 在所示電路中，已知輸入端A的電位VA3.6V例：26頁(yè) 箝位電路設(shè)t=0時(shí)電容上的初始電壓為零;t=0+時(shí)，ui=Um,電容也被充上

14、了大小為Um的電壓，極性如圖。此刻uo=0并且uo=0將一直保持到t=t1。此后，ui突降到Um,二極管截止，如果電阻和電容再足夠大，RC時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大與輸入信號(hào)周期,則C上的充電電壓一直保持Um,于是輸出電壓為uo=uiUm=2Um,并一直保持到t2;顯然，輸出信號(hào)總不會(huì)出現(xiàn)正值，所以稱為正向箝位電路。工作原理:例：26頁(yè) 箝位電路設(shè)t=0時(shí)電容上的初始電壓為零;此后，6、穩(wěn)壓管(Zener diode)+-IUO 穩(wěn)壓管的伏安特性和符號(hào)UI值很小有穩(wěn)壓特性陰極陽(yáng)極UI下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。因其具有穩(wěn)定電壓的特性，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的圖形符號(hào)及伏安特性特點(diǎn)：

15、1)、正向特性曲線同二極管；2)、反向擊穿電壓較低，反向特性曲線 比較陡；UZ為穩(wěn)壓值。3)、正常的工作區(qū)域?yàn)榉聪驌舸﹨^(qū)，且可逆。VDZUZ6、穩(wěn)壓管(Zener diode)+-IUO 動(dòng)態(tài)電阻rZ動(dòng)態(tài)電阻越小，反向伏安特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)定電壓UZ 正常工作時(shí)，管子兩端的電壓值。一般由電子器件手冊(cè)給出。4)、穩(wěn)壓管主要參數(shù)DZ穩(wěn)定電流IZ 在正常工作時(shí)的參考電流。最大穩(wěn)定電流IZMAX 允許通過(guò)的最大反向電流，一般不應(yīng)超出此值。 電壓的溫度系數(shù)U環(huán)境溫度對(duì)穩(wěn)定電壓的影響。 額定功耗PZM 電流流過(guò)穩(wěn)壓管時(shí)消耗的功率。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)動(dòng)態(tài)電阻rZ動(dòng)態(tài)電阻越小，反向伏安特性曲線越陡，穩(wěn)壓

16、性能越2312DW7具有溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓管1、2有溫度補(bǔ)償作用1、2、對(duì)3 可單獨(dú)使用用于溫度穩(wěn)定性高的場(chǎng)合2312DW7具有溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓管1、2有溫度補(bǔ)償作用1、上頁(yè)下頁(yè)返回穩(wěn)壓管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路 圖中R為限流電阻，用來(lái)限制流過(guò)穩(wěn)壓管的電流。RL為負(fù)載電阻。UiR-DZRL-UOIILIZUZ 由于穩(wěn)壓管工作在其反向特性端，因而在反向擊穿的情況下可以保證負(fù)載兩端的電壓在一定的范圍內(nèi)基本保持不變。上頁(yè)下頁(yè)返回穩(wěn)壓管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路 圖中R為限流電阻第2章上頁(yè)下頁(yè)返回 限流電阻R的選擇UiR-DZRL-UOIILIZUZ穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓管的選擇第2章上頁(yè)下頁(yè)返回 限流電阻R的選擇UiR-例1

17、電路如圖所示，已知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 對(duì)應(yīng)UZ= 0.3V。求rZ ，選擇限流電阻R。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)UORLVDZRUIIRIOIZ+-+-UZ例1 電路如圖所示，已知UImax= 15V， UI解：IZmax UImax - UZR-UZRLmaxIZmin UImin - UZR-UZRLminrZ =IZUZIZ =IR - IO=UI - UZR-UZRL= 6.715 - 650 +61k=161R R10 - 65 +60.6k=267IZ = IZmax

18、- IZmin = 45 mA下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)UORLVDZRUIIRIOIZ+-+-UZ解：IZmax UImax - UZR-UZRLmaxI+-D1D2U+-U+-U+-UD1D2D1D2D1D2例2 有兩個(gè)穩(wěn)壓管 D1 和 D2 ，它們的穩(wěn)壓值為UZ1 = 6 V，UZ2 = 8 V，正向?qū)▔航稻鶠?UD = 0.6 V，將它們串聯(lián)可得到幾種穩(wěn)壓值?U=UD+UD = -1.2 VU=UZ1+UD = -6.6 VU =UZ1+UZ2 = 14 VU=UD+UZ2 = 8.6 V下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)+-D1D2U+-U+-U+-UD1D2D1D2D1D2例上頁(yè)下頁(yè)返回穩(wěn)壓管應(yīng)用電路分析舉例UO1

19、ILUi1R-DZ1RL-IIZUZDZ2Ui2R-DZ1RL-UO2IILIZUZDZ2電路如圖：UZ1 =4V；UZ2 =5V，正向壓降為0.5V,求U0? Ui1 =4V U0? Ui1 =8V U0?若使 U0=5.3V,怎么辦? Ui2 =12V U0? Ui2 =8V U0?若使 U0=5.5V,怎么辦?上頁(yè)下頁(yè)返回穩(wěn)壓管應(yīng)用電路分析舉例UO1ILUi1R-D上頁(yè)下頁(yè)返回實(shí)踐思考題 有一只二極管在使用時(shí)無(wú)法區(qū)分兩個(gè)電極的極性，有人說(shuō)能用萬(wàn)用表的電阻檔確定二極管的陽(yáng)極和陰極。這種說(shuō)法對(duì)嗎？ 如果對(duì)，怎么測(cè)量？下面是萬(wàn)用表電阻檔的等效電路，請(qǐng)思考。+-+-+-上頁(yè)下頁(yè)返回實(shí)踐思考題 有

20、一只二極管在使用時(shí)無(wú)法區(qū)分兩個(gè)7、特殊二極管圖2.24 光電二極管光電二極管的圖形、等效電路及伏安特性光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，其反向電流隨光照強(qiáng)度的變化而上升。伏安特性：光電二極管的反向電流與光照度成正比。應(yīng)用：1）、光電二極管的管殼上有一個(gè)玻璃窗口以便接受光照2）、可用于光測(cè)量3）、制成光電池下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè) 知識(shí)拓展：7、特殊二極管圖2.24 光電二極管光電二極管的圖形、等效電 發(fā)光二極管圖形發(fā)光二極管的圖形符號(hào) 發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，即當(dāng)管子通以電流后將發(fā)出光來(lái)。應(yīng)用：常作為顯示器件，工作電流在幾個(gè)到幾十毫安。當(dāng)管子加正向電壓時(shí)，在正向電流激發(fā)下，

21、管子發(fā)光。發(fā)光的顏色有紅，黃，綠，藍(lán)，白等。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè) 發(fā)光二極管圖形發(fā)光二極管的圖形符號(hào) 發(fā)光二極管應(yīng)用：下頁(yè) LED顯示器：1. 共陰極電路: 7只發(fā)光管的陰極接地，接高電位的段可發(fā)光。共陽(yáng)極電路共陰極電路abcg a+5vbcg2. 共陽(yáng)極電路： 7只發(fā)光管的陽(yáng)極接正電源，接地的區(qū)段可發(fā)光。 LED顯示器：1. 共陰極電路: 變?nèi)荻O管PN結(jié)的結(jié)電容隨其反向電壓而變化。應(yīng)用：用于高頻技術(shù)，例如電子調(diào)協(xié)器，通過(guò)調(diào)電壓改變電容，改變諧振頻率，實(shí)現(xiàn)頻道選擇。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)變?nèi)荻O管圖形肖特基二極管由肖特基發(fā)明，電容效應(yīng)小工作速度高，特別適應(yīng)高頻或開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用，反向電壓較低。肖特基二極管圖形 變?nèi)荻O管應(yīng)用：用于高頻技術(shù)，例如電子調(diào)協(xié)器，通過(guò)調(diào)電壓1、N型半導(dǎo)體中的電子載流子稱為（ ）。(a) 多數(shù)載流子 (b) 少數(shù)載流子 (c) 電子空穴對(duì) 思考題：3、穩(wěn)壓二極管的正常工作區(qū)域?yàn)? )。 A反向截止區(qū) B 正向?qū)▍^(qū) C反向擊穿區(qū)一、選擇填空題5、在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ大于最小穩(wěn)定電流IZmin，小于最大電流IZmax，則可判斷穩(wěn)壓管的