模擬 電子技術(shù)基礎(chǔ)

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)安徽理工大學(xué)電氣工程系安徽理工大學(xué)電氣工程系主講主講 ：黃友銳：黃友銳第二講第二講1.3 半導(dǎo)體二極管1.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型1.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線1.3.3 半導(dǎo)體二極管的參數(shù)1.3.4半導(dǎo)體二極管的溫度特性1.3.5半導(dǎo)體二極管的型號(hào)1.3.6 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管1.3.1 1.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型 在在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖三大類。它

2、們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.11所示。所示。(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)電容小，結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。用于檢波和變頻等高頻電路。(a)(a)點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 圖圖 01.11 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(3) 平面型二極管平面型二極管 往往用于集成電路制造工往往用于集成電路制造工藝中。藝中。PN 結(jié)面積可大可小，結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型二極管符號(hào)二極管符號(hào) 圖圖 01.11

3、二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)(c)平面型平面型1.3.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線 式中式中IS 為反向飽和電流，為反向飽和電流，V 為二極管兩端的電為二極管兩端的電壓降，壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲為玻耳茲曼常數(shù)，曼常數(shù)，q 為電子電荷量，為電子電荷量，T 為熱力學(xué)溫度。對(duì)于為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)室溫（相當(dāng)T=300 K），則有），則有VT=26 mV。) 1(eTSVVII 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖 01.12 01.12 所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線

4、，處所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示: :(1.1)圖圖 01.12 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線圖示(1) 正向特性正向特性 硅硅二極管的死區(qū)電壓二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5 V左右，左右， 鍺鍺二極管的死區(qū)電壓二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1 V左右。左右。 當(dāng)當(dāng)0VVth時(shí)，正向電流為零，時(shí)，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)稱為死區(qū)電壓或開(kāi)啟電壓。電壓或開(kāi)啟電壓。 當(dāng)當(dāng)V0即處于正向特性區(qū)域。即處于正向特性區(qū)域。正向

5、區(qū)又分為兩段：正向區(qū)又分為兩段： 當(dāng)當(dāng)VVth時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。律增長(zhǎng)。(2) 反向特性反向特性當(dāng)當(dāng)V0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域： 當(dāng)當(dāng)VBRV0時(shí)，反向電流很小，且基時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱電流也稱反向飽和電流反向飽和電流I IS S 。 當(dāng)當(dāng)VVBR時(shí)，反向電流急劇增加，時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱稱為為反向擊穿電壓反向擊穿電壓 。 在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所在反向區(qū)，硅二極管和鍺

6、二極管的特性有所不同。不同。 硅二極管硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很??；反向飽和電流也很??；鍺二極管鍺二極管的反向擊穿特性的反向擊穿特性比較軟，過(guò)渡比較圓滑，反向飽和電流較大。比較軟，過(guò)渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|VBR|7V時(shí)時(shí),主要是雪崩擊穿；若主要是雪崩擊穿；若|VBR|4V時(shí)時(shí), 則主要是齊納擊則主要是齊納擊穿。當(dāng)在穿。當(dāng)在4V7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數(shù)點(diǎn)。零溫度系數(shù)點(diǎn)。1.3.3 半導(dǎo)體二極管的參數(shù) 半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大

7、整流電流半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓最大反向工作電壓VRM、反向反向電流電流IR、最高工作頻率最高工作頻率fmax和結(jié)電容和結(jié)電容Cj等。幾個(gè)主等。幾個(gè)主要的參數(shù)介紹如下：要的參數(shù)介紹如下： (1) 最大整流電流最大整流電流IF二極管長(zhǎng)期連續(xù)工二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大整流極管的最大整流電流的平均值。電流的平均值。(2) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓和最大反向工作電壓VRM 二極管反向電流二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓值稱為反向擊穿電壓電

8、壓VBR。 為安全計(jì)，在實(shí)際為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。的一半計(jì)算。 (3) 反向電流反向電流I IR R (4) 正向壓降正向壓降VF(5) 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rd 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安級(jí)；鍺二極管在微安( A)級(jí)。級(jí)。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。

9、小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.60.8V；鍺二極管約；鍺二極管約0.20.3V。 反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然， rd與工作電流的大小有關(guān)，即與工作電流的大小有關(guān)，即 rd = VF / IF1.3.4 半導(dǎo)體二極管的溫度特性 溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加溫度每增加88，反向電流將約增加一倍；鍺二極，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加

10、管溫度每增加1212，反向電流大約增加一倍。，反向電流大約增加一倍。 另外，溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減另外，溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加小，每增加11，正向壓降，正向壓降VF(VD)大約減小大約減小2 2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。這些可以從圖即具有負(fù)的溫度系數(shù)。這些可以從圖01.1301.13所示二所示二極管的伏安特性曲線上看出。極管的伏安特性曲線上看出。 圖圖 01.13 溫度對(duì)二極管伏安特性曲線的影響溫度對(duì)二極管伏安特性曲線的影響1.3.5 半導(dǎo)體二極管的型號(hào)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)的命名舉例如下：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：半導(dǎo)體二極管圖

11、片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片1.3.6 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號(hào)和典型應(yīng)特性曲線的反向區(qū)、符號(hào)和典型應(yīng)用電路如圖用電路如圖01.14所示。所示。 圖圖 01.14 穩(wěn)壓二極管的伏安特性穩(wěn)壓二極管的伏安特性 (a)符號(hào)符號(hào) (b) 伏安特性伏安特性 (c)應(yīng)用電路應(yīng)用電路(b)(c)(a) 從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定

12、穩(wěn)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(shù)。壓二極管的參數(shù)。 (1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓VZ (2) 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。反向工作電壓。 其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過(guò)穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求過(guò)穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。取的。 rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。 rZ = VZ / IZ (3) (3) 最大耗散功率最大耗散功率 PZM 穩(wěn)壓管的最大功率損耗取穩(wěn)壓管的最大功

13、率損耗取決于決于PN結(jié)的面積和散熱等條結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)件。反向工作時(shí)PN結(jié)的功率結(jié)的功率損耗為損耗為 PZ= VZ IZ，由，由 PZM和和VZ可以決定可以決定IZmax。 (4) (4) 最大穩(wěn)定工作電最大穩(wěn)定工作電流流 IZmax 和最小穩(wěn)定工和最小穩(wěn)定工作電流作電流IZmin 穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即流取決于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而。而Izmin對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于VZmin。若。若IZIzmin，則不能起穩(wěn)則不能起穩(wěn)壓作用。壓作用。(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) VZ 溫度的變化將使溫度的變化將使VZ

14、改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng) VZ 7 V時(shí)，時(shí)，VZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。是雪崩擊穿。 當(dāng)當(dāng) VZ 4 V時(shí)，時(shí)， VZ具有負(fù)溫度系數(shù)，具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。反向擊穿是齊納擊穿。 當(dāng)當(dāng)4 V VZ 7 V時(shí)，穩(wěn)壓管可以獲得時(shí)，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。 穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。串入一只電阻。 電阻的作用一是起限流作用，以電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)保護(hù)穩(wěn)

15、壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。 利用半導(dǎo)體的光敏特性，其反向電流利用半導(dǎo)體的光敏特性，其反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IV照度增加照度增加符號(hào)符號(hào)1.3.7 特殊二極管簡(jiǎn)介特殊二極管簡(jiǎn)介 有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的光，它的電特性與一般二極管可見(jiàn)波段的光，它的電特性與一般

16、二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾幾 幾十幾十mA符號(hào)符號(hào)二極管電路分析舉例二極管電路分析舉例 定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止否則，正向管壓降否則，正向管壓降硅硅0 0.60.7V鍺鍺0.20.3V分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓的高低或所加電壓UD的正負(fù)。的正負(fù)。若若 V陽(yáng)陽(yáng) V陰陰或或 UD為正，二極管導(dǎo)通（正向偏置）為正，二極管導(dǎo)通（正向偏置）若若 V陽(yáng)陽(yáng) V陰陰 ，二二極管導(dǎo)通，極管導(dǎo)通，若忽略管壓降，二極管可看作短若忽略管壓降，二極管可看作短路，路，UAB = 6V。 實(shí)際上實(shí)際上， UAB低于低于6V一個(gè)管壓降，為一個(gè)管壓降，為6.3或或6.7V例例1 1： 取取B 點(diǎn)作為參考點(diǎn)作為參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。的電位。例例2: 2: 電路如圖，求：電路如圖，求：UAB 若忽略二極管正向若忽略二極管正向壓降，二極管壓降，二極管VD2可看作可看作短路，短路，UAB = 0 V ，VD1截止。截止。VD6V12V3k BAVD2 取取 B 點(diǎn)作點(diǎn)作參考點(diǎn)參考點(diǎn)，V1 陽(yáng)陽(yáng) =6 V，V2 陽(yáng)陽(yáng)