第一章半導(dǎo)體二極管及其電路

第一章半導(dǎo)體二極管及其電路分析

半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電路的基本元件，構(gòu)成半導(dǎo)體器件的材料是經(jīng)過(guò)加工的半導(dǎo)體材料，因此半導(dǎo)體材料的性質(zhì)在很大程度上決定了半導(dǎo)體器件的性能。1半導(dǎo)體二極管及其特性

2二極管基本應(yīng)用電路 及其分析方法

3特殊二極管教學(xué)內(nèi)容第一章半導(dǎo)體二極管及其電路分析難點(diǎn)：半導(dǎo)體二極管特性重點(diǎn)：半導(dǎo)體二極管在電路中的分析方法1.1.1二極管的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型構(gòu)成：PN結(jié)+管殼+引線=二極管(Diode)1.1半導(dǎo)體二極管及其特性分類(lèi)：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型半導(dǎo)體二極管的類(lèi)型穩(wěn)壓二極管按用途分整流二極管開(kāi)關(guān)二極管檢波二極管點(diǎn)接觸型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻小電流電路。半導(dǎo)體二極管面接觸型PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管平面型二極管

往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。半導(dǎo)體二極管二極管的符號(hào)：陽(yáng)極陰極半導(dǎo)體二極管1.1.2二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管二極管的伏安特性曲線可用下式表示正向特性Uth死區(qū)電壓反向特性ISOuD/ViD/mA-U(BR)反向擊穿U一正向特性iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

UD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2VOuD/ViD/mA正向特性Uth反向特性IS-U(BR)反向擊穿-U(BR)

U0iD=IS(硅)<0.1A

幾十A

(鍺)U<-U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)二反向特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth反向特性IS-U(BR)反向擊穿硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020三反向擊穿特性：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。

(擊穿電壓

<6V)雪崩擊穿：反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。(擊穿電壓

>6V)四溫度對(duì)二極管特性的影響：604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90C隨著溫度的升高，正向特性曲線左移，即正向壓降減小；反向特性曲線下移，即反向電流增大。

一般在室溫附近，溫度每升高1℃，其正向壓降減小2-2.5mV；溫度每升高10℃，反向電流大約增大1倍左右。半導(dǎo)體二極管1.1.3二極管的參數(shù)1.

IF—

最大整流電流(二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流)2.

UBR—

管子反向擊穿時(shí)的電壓半導(dǎo)體二極管3.

URM—

最高反向工作電壓，實(shí)際上只按照U(BR)的一半來(lái)計(jì)算4.

IR

—

反向電流(管子未被擊穿前的反向電流，該值越小單向?qū)щ娦栽胶?6.

fM—

最高工作頻率(二極管工作的上限頻率，超過(guò)該頻率時(shí)，結(jié)電容起作用，不能很好的體現(xiàn)單相導(dǎo)電性)。5.UD(on)—導(dǎo)通電壓：二極管在正向電壓工作時(shí)，管兩端會(huì)產(chǎn)生正向電壓降，其壓降值越小管越好。硅為0.7V，鍺為0.2V。半導(dǎo)體二極管半導(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：半導(dǎo)體二極管一、理想二極管特性曲線uDiD符號(hào)及等效模型：S正偏導(dǎo)通，uD=0；反偏截止，iD=0S1.2二極管基本應(yīng)用電路及其分析方法半導(dǎo)體二極管二極管基本電路如圖所示，VDD=10V，應(yīng)用理想模型求解電路的UD和ID。例1ID=（VDD-UD）／R=（10-0）V／10KΩ=1mAUD=0V解：半導(dǎo)體二極管二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)iDuDU(BR)IFURMO半導(dǎo)體二極管硅二極管基本電路如圖所示，試求電流I1,I2,IO,和UO例半導(dǎo)體二極管二極管的單向?qū)щ娦詰?yīng)用很廣，可用于：限幅、整流、開(kāi)關(guān)、檢波、元件保護(hù)等例：一限幅電路如圖所示，R=1KΩ，VREF=3V。當(dāng)Ui=6sinωt(V)時(shí)，利用恒壓降模型繪出相應(yīng)的輸出電壓UO的波形。二極管的恒壓降為0.7V。②Ui>3.7V時(shí)D導(dǎo)通，UO=0.7+3=3.7V①Ui<3.7V時(shí)D截止，UO=Ui;半導(dǎo)體二極管1、限幅電路：它是用來(lái)讓信號(hào)在預(yù)置的電平范圍內(nèi)，有選擇地傳輸一部分。半導(dǎo)體二極管例：分析如圖所示的硅二極管電路(1)已知Ui=6sinωt(V)時(shí)，利用理想模型繪出相應(yīng)的輸出電壓UO的波形。例:二極管開(kāi)關(guān)電路如圖所示，當(dāng)UA和UB為0V或5V時(shí)，求UA和UB的值不同組合情況下，輸出電壓Uo的值。設(shè)二極管是理想的。Ui1Ui2(單位V)二極管工作狀態(tài)UO(單位V)VAVB00055055半導(dǎo)體二極管2、開(kāi)關(guān)電路：利用二極管的單向?qū)щ娦砸越油ɑ驍嚅_(kāi)電路，這在數(shù)字電路中廣泛應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電路：或門(mén)例:二極管開(kāi)關(guān)電路如圖所示，當(dāng)UA和UB為0V或5V時(shí)，求UA和UB的值不同組合情況下，輸出電壓Uo的值。設(shè)二極管是理想的。Ui1Ui2(單位V)二極管工作狀態(tài)UO(單位V)D1D200055055截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通0555半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管3、整流電路：將交流電壓轉(zhuǎn)換成單方向的脈動(dòng)的直流電壓RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流三小信號(hào)模型

如果二極管工作在V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作時(shí)，則可以把V-I特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是動(dòng)態(tài)電阻rd半導(dǎo)體二極管1.3特殊二極管◆1.3.1穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管又稱(chēng)齊納二極管，它是一種特殊工藝制造的半導(dǎo)體二極管。它的符號(hào)如圖所示。

當(dāng)反向電壓加到某一定值時(shí)UZ

，產(chǎn)生反向擊穿，反向電流急劇增加，只要控制反向電流不超過(guò)一定值，管子就不會(huì)損壞。1、穩(wěn)壓管的伏安特性工作在反向擊穿特性區(qū)_2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)①穩(wěn)定電壓UZ

指規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓低的為3V，高的可達(dá)300V，它的正向電壓約為0.6V。②穩(wěn)定電流IZ（Izmin-Izmax

）

指穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)的參考電流。電流低于Izmin時(shí)穩(wěn)壓效果變壞，甚至根本不穩(wěn)壓。_

③額定功耗PZM

指穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流的乘積。

④溫度系數(shù)α

指溫度每變化1℃時(shí)穩(wěn)壓值的變化量。VZ小于4V的管子具有負(fù)溫度系數(shù)，VZ大于7V的管子具有正溫度系數(shù)。4V至7V的管子溫度系數(shù)非常小。

⑤動(dòng)態(tài)電阻rz

指穩(wěn)壓管兩端的電壓變化與電流變化之比。曲線越陡，動(dòng)態(tài)電阻愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。接法：反接電阻R的作用：限流RL代表：負(fù)載

工作區(qū)：反向擊穿3、穩(wěn)壓管的基本電路三、穩(wěn)壓管應(yīng)用

例1：電路如圖，求流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ，R是否合適？最?。ù螅┎荒苄。ù螅┯诙嗌伲拷猓汗?，R是合適的。例2：電路如圖，IZmax=50mA，R=0.15KΩ,UI=24V,IZ=5mA,UZ=12V，問(wèn)當(dāng)RL=0.2KΩ時(shí)，電路能否穩(wěn)定，為什么？當(dāng)RL

=0.8KΩ時(shí)，電路能否穩(wěn)定，為什么？解：例3、電路如圖，UI=12V，UZ=6V，R=0.15KΩ，IZ=5mA，IZMAX=30mA,問(wèn)保證電路正常工作時(shí)RL

的取值范圍解：其它類(lèi)型二極管發(fā)光二極管光電二極管肖特基二極管◆發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是通過(guò)電流時(shí)發(fā)光的一種器件，這是由于電子與空穴直接復(fù)合而放出能量的結(jié)果。發(fā)出的光的波長(zhǎng)由所使用的基本材料而定。它的符號(hào)如圖所示。發(fā)光二極管基本電路工作區(qū)：正向偏置接法：正接作用：把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)主要應(yīng)用：作為顯示器件◆光電二極管

光電二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管類(lèi)似，但在它的PN結(jié)處，通過(guò)管殼上的一個(gè)玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運(yùn)行，它的反向電流隨光照度的增加而上升。它的符號(hào)如圖所示。光電二極管基本電路接法：反接工作區(qū)：反向偏置作用：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)光電二極管的伏安特性肖特基二極管又稱(chēng)肖特基勢(shì)壘二極管，是以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管,簡(jiǎn)稱(chēng)肖特基二極管

特點(diǎn)：正向?qū)▔航档停瑑H0.4V左右。它也有一些缺點(diǎn)：耐壓比較低，漏電流較大。其多用作高頻、低壓、大電流整流二極管例4：已知u=10sin(t)V,UZ=6V,IZ=10mA，

Izmax=30mA,畫(huà)出uo的波形，并求限流電阻R的最小值。例5：已知u=1