半導體二極管課件

構成：PN結+引線+管殼=二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結構分點接觸型面接觸型平面型§1.3半導體二極管1.3.1半導體二極管的結構及分類1構成：PN結+引線+管殼=二極管(Diode(1)點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負極引線2(1)點接觸型二極管PN結面積小，結電(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。負極引線

面接觸型N型鍺PN結

正極引線鋁合金小球底座金銻合金3(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于工正極

引線負極

引線集成電路中平面型pNP型支持襯底(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。4正極

引線負極

引線集成電路中平面型pNP型支持襯底(3)1)二極管的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數當T=300(27

C)：UT

=26mV1.3.2二極管的特性51)二極管的伏安方程溫度的電子電量玻爾茲曼常數當T=32)二極管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)U

UthiD急劇上升0

U

Uth

UD(on)

=(0.6

0.8)V硅管0.7V(0.1

0.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U

0iD=IS<0.1

A(硅)幾十

A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)定性——單向導電性62)二極管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

當V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當V＞Vth時，開始出現正向電流，并按指數規(guī)律增長。7正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V反向特性當V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。

當V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。8反向特性當V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。當V3）硅、鍺二極管的伏安特性曲線硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性93）硅、鍺二極管的伏安特性曲線硅二極管2CP10的V-I特二極管的特性對溫度很敏感,溫度升高,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。其規(guī)律是：在室溫附近,在同一電流下,溫度每升高１℃,正向壓降減?。病?５ｍV；溫度每升高１０℃,反向電流約增大1倍。4)二極管的溫度特性：10二極管的特性對溫度很敏感,溫度升高,正

(1)最大整流電流ＩＦ。它是二極管允許通過的最大正向平均電流。工作時應使平均工作電流小于ＩＦ,如超過ＩＦ,二極管將過熱而燒毀。此值取決于ＰＮ結的面積、材料和散熱情況。

(2)最大反向工作電壓ＵＲ。這是二極管允許的最大工作電壓。當反向電壓超過此值時,二極管可能被擊穿。為了留有余地,通常取擊穿電壓的一半作為ＵＲ。1.3.3二極管的參數11(1)最大整流電流ＩＦ。它是二極管允許通過的

(3)反向電流ＩＲ。指二極管未擊穿時的反向電流值。此值越小,二極管的單向導電性越好。由于反向電流是由少數載流子形成,所以ＩＲ值受溫度的影響很大。

(4)最高工作頻率ｆＭ。ｆＭ的值主要取決于ＰＮ結結電容的大小,結電容越大,則二極管允許的最高工作頻率越低。12(3)反向電流ＩＲ。指二極管未擊穿時的反向電(5)二極管的直流電阻ＲＤ。加到二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比,稱為二極管的直流電阻ＲＤ,即

此值可由二極管特性曲線求出,如圖示。工作點電壓為ＵＦ＝１.５V,電流ＩＦ＝５０ｍΑ,則13(5)二極管的直流電阻ＲＤ。加到二極管兩圖求直流電阻14圖求直流電阻14(6)二極管的交流電阻ｒｄ。在二極管工作點附近,電壓的微變值ΔＵ與相應的微變電流值ΔＩ之比,稱為該點的交流電阻ｒｄ,即從其幾何意義上講,當ΔＵ→０時15(6)二極管的交流電阻ｒｄ。在二極管工作ｒｄ就是工作點Ｑ處的切線斜率倒數。顯然,ｒ也是非線性的,即工作電流越大,ｒｄ越小。交流電阻ｒｄ也可從特性曲線上求出,如圖１-１５所示。過Ｑ點作切線,在切線上任取兩點Ａ、Ｂ,查出這兩點間的ΔＵ和ΔＩ,則得16ｒｄ就是工作點Ｑ處的切線斜率倒數。顯然,ｒ也是非線性的,圖1-15求交流電阻17圖1-15求交流電阻174.微變電阻rDiDuDIDUDQ

iD

uDrD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內的電阻。184.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是交流電阻rd也可利用PN結的電流方程求出。即式中,IDQ為二極管工作點的電流,單位取mA。式(1-5)的近似等式在室溫條件下(T=300K)成立。對同一工作點而言,直流電阻RD大于交流電阻rd；對不同工作點而言,工作點愈高,RD和rd愈低。取I的微分可得:19交流電阻rd也可利用PN結的電流方程求出。即式部分國產半導體高頻二極管參數表最高反向工作電壓（峰值）V反向擊穿電壓

V正向電流

mA反向電流μA最高工作頻率MHZ極間電容

Pf最大整流電流mA2AP120≥40≥2.5≤250150≤1162AP7100≥150≥5.0≤250150≤112參數型號部分國產半導體整流二極管參數表最大整流電流A最高反向工作電壓（峰值）V最高工作電壓下的反向電流（125度）

μA正向壓降（平均值）

V最高工作頻率

MHZ2CZ52A0.1251000≤0.832CZ54D0.514001000≤0.832CZ57F530001000≤0.83參數型號20部分國產半導體高頻二極管參數表最高反向工作電壓反向擊穿電壓特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=

1.3.4半導體二極管的等效模型

線性化：用線性電路的方法來處理，將非線性器件用恰當的元件進行等效，建立相應的模型。（1）理想二極管模型：相當于一個理想開關，正偏時二極管導通管壓降為0V，反偏時電阻無窮大，電流為零。21特性uDiD符號及SS正偏導通，uD=0；反偏截止，iuDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)（2）理想二極管串聯(lián)恒壓降模型：二極管導通后，其管壓降認為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V。該模型提供了合理的近似，用途廣泛。注意：二極管電流近似等于或大于1mA正確。22uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(SiuDiDUD(on)

U

I斜率1/rDrD1UD(on)（3）折線模型：修正恒壓降模型，認為二極管的管壓降不是恒定的，而隨二極管的電流增加而增加，模型中用一個電池和電阻rD來作進一步的近似。電池的電壓選定為二極管的門坎電壓Vth，約為0.5V；至于rD的值，可以這樣來確定，即當二極管的導通電流為1mA時，管壓降為0.7V，于是rD的值可計算如下：由于二極管的分散性，Vth、rD的值不是固定的。23uDiDUD(on)UI斜率1/rDrD1UD(on)1.理想模型3.折線模型2.恒壓降模型241.理想模型3.折線模型2.恒壓降模型24(4)小信號模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）25(4)小信號模型二極管工作在正向特性的某應用舉例1.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設（2）VDD=1V時（自看）26應用舉例1.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k2.

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO的值。解：假設二極管斷開UP=15VUP>UN二極管導通等效為0.7V的恒壓源UO=VDD1

UD(on)=15

0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UO

VDD2)/R=(14.3

12)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN第1章半導體二極管272.試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO的值。3.二極管構成“門”電路，設V1、V2均為理想二極管，當輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時，求輸出電壓UO的值。UAUBUOR3kW12VVDDV1V2BAY輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBV1V20V0V正偏導通正偏導通0V0V5V正偏導通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏導通0V5V5V正偏導通正偏導通5V第1章半導體二極管283.二極管構成“門”電路，設V1、V2均為理想UAUBU4.畫出硅二極管構成的橋式整流電路在ui

=15sin

t(V)作用下輸出uO的波形。(按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15Otui

/V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4第1章半導體二極管294.畫出硅二極管構成的橋式整流電路在(按理想模型)RLV5.ui=2sin

t(V),分析二極管的限幅作用。ui較小，宜采用恒壓降模型V1V2uiuORui<0.7VV1、V2均截止uO＝uiuO＝0.7Vui

0.7VV2導通V１截止ui<

0.7VV1導通V2截止uO＝

0.7V思考題:V1、V2支路各串聯(lián)恒壓源，輸出波形如何？OtuO/V0.7Otui

/V2

0.7第1章半導體二極管305.ui=2sint(V),分析二極管的限VDDuDRuD=VDD

iDRiD=f(uD)1.2V100

iD

/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流負載線斜率

1/R靜態(tài)工作點也可取UQ=0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=5(mA)二極管直流電阻RD斜率1/RDiDQIQUQ1.3.5二極管電路的分析方法1）二極管電路的直流圖解分析31VDDuDRuD=VDDiDRiD=f(uD)電路中含直流和小信號交流電源時,二極管中含交、直流成分VDDuiuDRCiDC隔直流

通交流當ui=0時iD=IQUQ=0.7V(硅)，0.2V(鍺)設ui=sinwtiD

/mAuD/VOVDDVDD/RQIQwtOuiUQiD

/mAwtOid斜率1/rDrd=UT/IQ=26mV/IQ當ui幅度較小時，二極管伏安特性在Q點附近近似為直線2）交流圖解法32電路中含直流和小信號交流電源時,二極管中含交、直流成分VDD對于交流信號電路可等效為例1.3.6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k

，求iD和uD[解]1.靜態(tài)分析令ui

=0,取UQ0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=3.3mA2.動態(tài)分析rd=26/IQ=26/3.38(

)Idm=Udm/rd=5/80.625(mA),id

=0.625sin

t3.總電壓、電流=(0.7+0.005sin

t)V=(3.3+0.625sint)mAVDDuiuDRCiDuiudRidrd3）微變等效電路分析法33對于交流信號例1.3.6ui=5sint(mV)1.3.6穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。伏安特性iZ/mAuZ/VO

UZ

IZmin

IZmax

UZ

IZ

IZ應用電路+UZ電路符號1）原理－利用PN結的反向擊穿特性（雪崩擊穿和齊納擊穿）341.3.6穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊硅

從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數。

(1)穩(wěn)定電壓VZ——(2)動態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。

其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

rZ=

VZ/

IZ2）穩(wěn)壓二極管的參數35從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二

(3)最大耗散功率

PZM

——

穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結的面積和散熱等條件。反向工作時PN結的功率損耗為

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以決定IZmax。

(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin—————

穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin對應VZmin。若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。36(3)最大耗散功率PZM——穩(wěn)壓管的(5)穩(wěn)定電壓溫度系數—溫度的變化將使VZ改變溫度的變化將使VZ改變，在穩(wěn)壓管中：當

VZ

＞7V時，VZ具有正溫度系數，反向擊穿是雪崩擊穿。當

VZ

＜4V時，VZ具有負溫度系數，反向擊穿是齊納擊穿。當4V＜

VZ

＜7V時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標準穩(wěn)壓管使用。37(5)穩(wěn)定電壓溫度系數—溫度的變化將使VZ改變溫度的變化將使

穩(wěn)壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。38穩(wěn)壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。3）幾種穩(wěn)壓管的參數

參數型號穩(wěn)定電壓

V穩(wěn)定電流mA溫度系數%/度動態(tài)電阻?最大穩(wěn)定電流mA耗散功率W2CW146—75100.06≤15330.252CW2013.5–1750.095≤50150.252CW7C6.1-6.5100.005≤10300.25由表可以看出2CW7C的性能比較好。溫度系數小。其結構如下：正向二極管穩(wěn)壓管溫度補嘗393）幾種穩(wěn)壓管的參數參數穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電流溫度系數動態(tài)4）簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，R為限流電阻。IR=IZ+ILUO=UI–IRR當UI波動時(RL不變)

反之亦然當RL變化時（UI不變）反之亦然UIUORRLILIRIZ404）簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，R為限流電阻。IR=IZ+負載電阻。要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。5）穩(wěn)壓二極管的應用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術參數:解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值?！匠?41負載電阻。要求當輸入電壓令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：42令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin?！絿覙藴蕦Π雽w器件型號的命名舉例如下：1.3.7半導體二極管的測試1)半導體器件型號命名方法43國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：1.3.7半導體2)半導體二極管的識別與檢測(1)目測判別極性觸絲半導體片442)半導體二極管的識別與檢測(1)目測判別極性觸絲半導(2)用萬用表檢測二極管在R1k擋進行測量，紅表筆是(表內)負極,黑表筆是(表內)正極測量時手不要接觸引腳1.用萬用表指針式檢測1k

0

0

0一般硅管正向電阻為幾千歐鍺管正向電阻為幾百歐正反電阻相差不大為劣質管正反電阻都是無窮大或零則二極管內部斷路或短路45(2)用萬用表檢測二極管在R1k擋進行測量，紅表筆是二極管的運用基礎,就是二極管的單向導電特性。在應用電路中,關鍵是判斷二極管的導通或截止。二極管導通時一般用電壓源ＵＤ＝０.７V(硅管,如是鍺管用０.３V)代替,或近似用短路線代替。截止時,一般將二極管斷開,即認為二極管反向電阻為無窮大。1.3.8半導體二極管的應用46二極管的運用基礎,就是二極管的單向導電特性ER+U1-+UO-UIUI<E+0.7vE+0.7v

UI

≥E+0.7vUO

=E0tUiE0tUO把輸出幅度限在電平E+0.7v內輸出電壓小于E+0.7V當輸入信號電壓在一定范圍內變化時,輸出電壓隨輸入電壓相應變化；而當輸入電壓超出該范圍時,輸出電壓保持不變,這就是限幅電路。1)限幅電路限幅電路的作用是限制輸入/輸出信號幅度的大小。電路如下：47ER++UIUI<E+0.7vUOER+U1-+UO-UIUI<E+0.7vE+0.7vUI

≥E+0.7vUO

=E0tUiE0tUO把輸出幅度限在電平E+0.7v內輸出電壓小于E+0.7V通常將輸出電壓Uo開始不變的電壓值稱為限幅電平,改變Ｅ值就可改變限幅電平。當輸入電壓高于限幅電平時,輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅；當輸入電壓低于限幅電平時,輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。48ER++UIUI<E+0.7vUO(1).并聯(lián)二極管上限幅電路Ｅ＝０V,限幅電平為０V。圖（a）uｉ＞０時二極管導通,uo＝０V；

ui＜０V,二極管截止,uo＝uｉ。49(1).并聯(lián)二極管上限幅電路Ｅ＝０V,限幅電平為０V。圖并聯(lián)二極管上限幅電路０＜Ｅ＜Um,則限幅電平為＋Ｅ。圖（b）uｉ＜Ｅ,二極管截止,uo＝uｉ；uｉ＞Ｅ,二極管導通,uo＝Ｅ。50并聯(lián)二極管上限幅電路０＜Ｅ＜Um,則限幅電平為＋Ｅ。圖（b并聯(lián)二極管上限幅電路－Ｕm＜Ｅ＜０,則限幅電平為-E,。圖（c）uｉ＞－Ｅ,二極管導通,uo＝－Ｅ；uｉ＜－Ｅ,二極管截止,uo＝uｉ。51并聯(lián)二極管上限幅電路－Ｕm＜Ｅ＜０,則限幅電平為-E,。Ｅ＝０V,限幅電平為０V。uｉ＞０時二極管導通,uo＝０V；ui＜０V,二極管截止,uo＝uｉ。圖（a）０＜Ｅ＜Um,則限幅電平為＋Ｅ。uｉ＜Ｅ,二極管截止,uo＝uｉ；uｉ＞Ｅ,二極管導通,uo＝Ｅ。圖（b）－Ｕm＜Ｅ＜０,則限幅電平為-E,。圖（c）

52Ｅ＝０V,限幅電平為０V。uｉ＞０時二極管導通,uo＝０（2）并聯(lián)下限幅電路將并聯(lián)上限幅電路中的二極管反接，將構成并聯(lián)下限幅電路

并聯(lián)下限幅電路并聯(lián)上限幅電路53（2）并聯(lián)下限幅電路將并聯(lián)上限幅電路中的二極管反接，將（3）串聯(lián)下限幅電路電路如圖所示。因為二極管VD與負載電阻RL串聯(lián)，故稱為串聯(lián)限幅電路。a）電路圖b）波形圖圖二極管串聯(lián)下限幅電路uo的波形如圖（b）所示。設輸入信號ui為正弦波。則54（3）串聯(lián)下限幅電路電路如圖所示。因為二極管VD與負載電（4）串聯(lián)限幅電路55（4）串聯(lián)限幅電路55將兩個二極管VD1和VD2反向并聯(lián)在電路的輸出端，即可構成雙向限幅電路，如圖所示。（5）雙向限幅電路a）電路圖b）波形圖圖二極管雙向限幅電路設輸入信號ui為正弦波。則uo的波形如圖（b）所示。56將兩個二極管VD1和VD2反向并聯(lián)在電路的輸出端，即可構成雙2）二極管門電路圖1-23二極管“與”門電路572）二極管門電路圖1-23二極管“與”門電1）發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正偏一般工作電流幾十mA，導通電壓1

2V2.主要參數電學參數：IFM,U（BR）,IR光學參數：峰值波長

P，亮度

L，光通量

發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光，點陣LED符號u/Vi

/mAO2特性七段LED1