二極管及其應(yīng)用

二極管及其應(yīng)用模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管的基本結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)構(gòu)

二極管=PN結(jié)+管殼+引線

正極引線觸絲支架外殼負(fù)極引線PN結(jié)P型鍺(硅)

N型鍺（硅）NP電路符號(hào)陽(yáng)極+陰極-內(nèi)部結(jié)構(gòu)二極管按結(jié)構(gòu)分為三大類1.點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)的面積小，結(jié)電容小，不能承受高的反向電壓和大電流，因而適用于制作高頻檢波和脈沖數(shù)字電路里的開(kāi)關(guān)元件，以及作

為小電流的整流管。二極管按結(jié)構(gòu)分為三大類2.面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。3.平面型二極管

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)體二極管實(shí)物圖片二極管的伏安特性RDUIDuD+–D0反向擊穿B0.4A1.2正向?qū)ㄋ绤^(qū)0.8CUR(V)反向截止IF(mA)IR(μA)二極管的伏安特性曲線UF(V)1.正向特性（1）不導(dǎo)通區(qū)（死區(qū)）：OA段（2）導(dǎo)通區(qū)：AB段2.反向特性（1）反向截止區(qū)：OC段這時(shí)二極管呈現(xiàn)很高的電阻，在電路中相當(dāng)于一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。（2）反向擊穿區(qū)：CD段伏安特性受溫度的影響00.41.20.8UR(V)IF(mA)IR(μA)二極管的伏安特性曲線UF(V)200C800C1.溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線向左移動(dòng)。這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生同一正向電流所需的壓降減小的緣故。2.溫度升高時(shí)，二極管的反向特性曲線向下移動(dòng)。這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，本征激發(fā)加強(qiáng)，半導(dǎo)體中少子數(shù)目增多，在同一反向電壓下，漂移電流增大的緣故。伏安特性受溫度的影響3.溫度升高時(shí)，反向擊穿電壓減小。擊穿現(xiàn)象是由于大的反向電流使少數(shù)載流子獲得很大的動(dòng)能，當(dāng)它與PN結(jié)內(nèi)的原子發(fā)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生了很多的電子—空穴對(duì)，使PN結(jié)內(nèi)的載流子數(shù)目急劇增加，并在反向電壓作用下，形成很大的反向電流。因此，溫度升高時(shí)，反向擊穿電壓減小。綜上所述，溫度升高時(shí)，二極管的導(dǎo)通壓降UF降低，反向擊穿電壓URM

減小，反向飽和電流IS增大。反向擊穿——齊納擊穿D0反向擊穿CUR(V)反向截止IF(mA)IR(μA)二極管反向的特性曲線UF(V)在通常情況下，反向偏置的PN結(jié)中只有一個(gè)很小的電流。這個(gè)漏電流一直保持一個(gè)常數(shù)，直到反向電壓超過(guò)某個(gè)特定的值，超過(guò)這個(gè)值之后PN結(jié)突然開(kāi)始有大電流導(dǎo)通。在高摻雜的情況下，因耗盡層厚度很薄，不大的反向電壓就可在耗盡層形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，而直接破壞共價(jià)鍵，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，致使電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。也稱為隧道擊穿。反向擊穿——雪崩擊穿D0反向擊穿CUR(V)反向截止IF(mA)IR(μA)二極管反向的特性曲線UF(V)材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，耗盡層中的電場(chǎng)隨著增強(qiáng)。這樣通過(guò)耗盡層的電子和空穴，就會(huì)在電場(chǎng)作用下，獲得更大的能量。它們將不斷的與晶體原子發(fā)生碰撞，通過(guò)這樣的碰撞可使束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來(lái)，產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)作用下撞出其他價(jià)電子，又產(chǎn)生新的自由電子和空穴對(duì)。如此連鎖反應(yīng)，使得耗盡層中的載流子的數(shù)量雪崩式地增加，流過(guò)PN結(jié)的電流就急劇增大擊穿PN結(jié)，這種碰撞電離導(dǎo)致?lián)舸┓Q為雪崩擊穿。反向擊穿——熱擊穿D0反向擊穿CUR(V)反向截止IF(mA)IR(μA)二極管反向的特性曲線UF(V)熱擊穿的本質(zhì)是處于電場(chǎng)中的介質(zhì)，由于其中的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量，就是電勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱量，當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，就可能從散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)，若發(fā)出的熱量比散去的多，介質(zhì)溫度將愈來(lái)愈高，直至出現(xiàn)永久性損壞，這就是熱擊穿。二極管的主要參數(shù)1.最大正向電流IDM常稱額定工作電流，它是指長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大平均電流。因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)PN結(jié)時(shí)要引起管子發(fā)熱，電流太大，發(fā)熱量超過(guò)一定限度，就會(huì)使PN結(jié)燒壞。IDM的大小取決于PN結(jié)的面積、材料和散熱條件。2.反向峰值電壓URM常稱額定工作電壓，它是為了保證二極管不致反向擊穿而規(guī)定的最大反向電壓。擊穿時(shí)，反向電流劇增使二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至?xí)蜻^(guò)熱而燒壞。二極管的主要參數(shù)3.反向飽和電流IS在室溫下，二極管未擊穿時(shí)的反向電流值稱為反向飽和電流。該電流越小，二極管的單向?qū)ㄐ阅芫驮胶谩?.最高工作頻率fMfM為保證二極管具有單向?qū)щ娦缘淖罡吖ぷ黝l率，其大小主要由二極管的勢(shì)壘電容CT和擴(kuò)散電容CD的大小來(lái)決定。二極管的選擇要求導(dǎo)通電壓低時(shí)，選鍺管；要求反向電流小時(shí)，選硅管。要求導(dǎo)通電流大時(shí)，選平面型；要求工作頻率高時(shí)，選點(diǎn)接觸型。要求反向擊穿電壓高時(shí)，選硅管。要求耐高溫時(shí)，選硅管。二極管電路模型引入模型的目的：簡(jiǎn)化電路計(jì)算；方法：非線性器件作線性化處理。二極管常用電路模型有：理想開(kāi)關(guān)模型恒壓降模型折線模型理想開(kāi)關(guān)模型RDUiDuD+–uDiD0導(dǎo)通時(shí)，UD=0，i由電路參數(shù)決定。即

iD=U/R特點(diǎn)：uD>0時(shí),二極管導(dǎo)通;uD<0時(shí),二極管截止。截止時(shí)，iD=0，UD由電路參數(shù)決定。其伏安特性可表示為：如右圖所示；其電路模型為：或×恒壓降模型RDUiDuD+–uDiD0導(dǎo)通時(shí)，UD=Uon，i由電路參數(shù)決定。即:

iD=(U-Uon)/R特點(diǎn)：uD>0.7V（硅管）時(shí),二極管導(dǎo)通;uD<0.7V（硅管）時(shí),二極管截止。截止時(shí)，iD=0，UD由電路參數(shù)決定。其伏安特性可表示為：如右圖所示；其電路模型為：UonUon硅管：Uon=0.7V鍺管：Uon=0.3VUon是二極管的開(kāi)啟電壓。折線模型RDUiDuD+–uDiD0特點(diǎn)：uD>Uon時(shí),二極管導(dǎo)通;其伏安特性可表示為：如右圖所示；其電路模型為：UonDrD其中：rD折線斜率的倒數(shù)。UonuD<Uon時(shí),二極管截止;iD=0，UD由電路參數(shù)決定。例題1已知某電路結(jié)構(gòu)與電路參數(shù)如下圖所示，D為理想二極管。試分析：①二極管D導(dǎo)通還是截止？

②UAB=？DR=2Ω

E1=6VE2=4VAB解答：假設(shè)D正偏，根據(jù)KVL可得：I因?yàn)殡娏鱅為負(fù)值，所以D截止。例題2下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB為鍺管，①求輸出端Y的電位，并說(shuō)明二極管的作用。②如果VB=4V，求輸出端Y的電位。DA

–5VYABDBR解答：DA優(yōu)先導(dǎo)通，則Y

=VA–UDA=3-0.3=2.7VDA導(dǎo)通后,DB因反偏而截止,起隔離作用,DA起鉗位作用,將Y端的電位鉗制在+2.7V。

例題3下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，ui=6sinωt（V）,

E=3V,試畫出uo波形。

DREuiu0+-+-AB

t

t

ui

(V)uo(V)600π2π3π-633-6π2π3π例題4下圖是二極管雙向限幅電路，D為硅管，ui=6sinωt（V）,

E=3V,試畫出uo波形。

DREuiu0+-+-AB

t

t

ui

(V)uo(V)600π2π3π-63.73.7-3.7π2π3πEDC-3.7特殊二極管及應(yīng)用根據(jù)二極管的不同用途，二極管分為：整流二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管光敏二極管整流二極管整流：把交流電變成直流電的過(guò)程。二極管單相整流電路：把單相交流電變成脈動(dòng)直流電的電路。整流原理：二極管的單向?qū)щ娞匦?。單相整流電路種類半波整流全波整流橋式整流單相半波整流電路DABC變壓器將電源電壓u1(正弦波)變?yōu)檎麟娐匪璧碾妷簎2；其瞬時(shí)表達(dá)式為：t1t3t2t4①u2正半周時(shí)，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，二極管D正向?qū)ǎ瑒t：uL≈u2；iL≈uL/RLt1②

u2負(fù)半周時(shí)，A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，二極管D反向截止，則：iL≈0；uL≈0t2t3t4由波形可見(jiàn)，u2一個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載只有單個(gè)方向的半個(gè)波形，這種大小波動(dòng)，方向不變的電壓或電流稱為脈動(dòng)直流電。由于電路僅利用u2的半個(gè)波形，故稱為半波整流電路。半波整流電路的電壓與電流負(fù)載RL上的電壓與電流：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：整流二極管上的電壓與電流：二極管最大反向峰值電壓：二極管正向工作電流：選管條件及電路特點(diǎn)選管條件①二極管允許的最大反向電壓應(yīng)大于承受的反向峰值電壓。②二極管允許的最大整流電流應(yīng)大于流過(guò)二極管的實(shí)際工作電流。電路特點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電源利用率低，紋波成分大。例題5一直流負(fù)載，如右圖所示。電阻RL為1.5kΩ，要求工作電流為10mA，如果采用半波整流電路，試求變壓器次級(jí)的電壓U2和二極管所承受的最大反向電壓URM。解：因?yàn)镈二極管承受的最大反向電壓為：?jiǎn)蜗嗳ㄕ麟娐稢0D1ABD2變壓器次級(jí)引出兩個(gè)電壓u2a和u2b；以O(shè)點(diǎn)為參考點(diǎn)，兩電壓大小相等，相位相反；即：t1t2t3t4①0～t1時(shí)，u2a正半周，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，二極管D1正向?qū)?；t1②t1～t2時(shí)，u2b正半周，A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，二極管D2正向?qū)?；t2t3t4由波形可見(jiàn)，一個(gè)周期內(nèi)，D1和D2交替導(dǎo)通，負(fù)載電流IL=ID1+ID2，負(fù)載RL得到全波脈動(dòng)的直流電流和電壓；這種整流電路稱為全波整流電路。全波整流電路的電壓與電流負(fù)載RL上的電壓與電流：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：整流二極管上的電壓與電流：二極管最大反向峰值電壓：二極管正向工作電流：C0D1ABD2選管條件及電路特點(diǎn)選管條件①二極管允許的最大反向電壓應(yīng)大于承受的反向峰值電壓兩倍以上。②二極管允許的最大整流電流應(yīng)大于流過(guò)二極管的實(shí)際工作電流。電路特點(diǎn)電源利用率高，紋波成分小，但對(duì)變壓器要求較高。橋式整流電路BA①0～t1時(shí)，u2正半周，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，二極管D1和D3正向?qū)ǎ籄B②t1～t2時(shí)，u2負(fù)半周，A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，二極管D2和D4正向?qū)āA橋式整流電路的電壓與電流負(fù)載RL上的電壓與電流：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：整流二極管上的電壓與電流：二極管最大反向峰值電壓：二極管正向工作電流：濾波電路濾波電路的作用濾除脈動(dòng)直流電中的脈動(dòng)成分。濾波電路的種類電容濾波器、電感濾波器、復(fù)式濾波器。電容濾波器（半波整流）DCt1t2t2工作原理利用電容器兩端電壓不能突變?cè)砥交敵鲭妷?。?～t1期間，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，二極管D正向?qū)?，電容器C充電；在t1～t2期間，由于VC＞u2，二極管D反向截止，電容器C放電；放電時(shí)間長(zhǎng)短與電容器C的電容量和負(fù)載RL的大小有關(guān)。+uC-AB電容C較小電容C較大具有電容濾波器的半波整流電路電容濾波器（全波整流）

ULto工作原理與半波整流電路相同，不同點(diǎn)是:u2正、負(fù)半周內(nèi)，整流二極管D1和D2輪流導(dǎo)通，一個(gè)周期內(nèi)對(duì)電容器C兩次充電，縮短了電容器C向負(fù)載的放電時(shí)間，從而使輸出電壓更加平滑。輸出電壓估算公式為：電容濾波器電路特點(diǎn)：電容器與負(fù)載并聯(lián)。應(yīng)用：小功率電源濾波電容的選擇電容的選擇要從電容耐壓和容量?jī)蓚€(gè)方面考慮：耐壓：在電路中電容耐壓值要大于負(fù)載開(kāi)路時(shí)整流

電路的輸出電壓。容量：濾波電容器C的容量選擇與電路中的負(fù)載電

流有關(guān)，當(dāng)負(fù)載電流加大后，要相應(yīng)的增加電容量。輸出電流IL（A）210.5～10.1～0.50.05～0.140.05以下電容器容量C（μF）400020001000500200～500100電感濾波器D1D20+uL-L工作原理利用流過(guò)電感的電流不能突變?cè)砥交敵鲭娏?。?dāng)電路電流增加時(shí)，電感存儲(chǔ)能量；當(dāng)電流減小時(shí)，電感釋放能量；使負(fù)載電流比較平滑，從而得到比較平滑的直流電壓。特點(diǎn)：電感器與負(fù)載串聯(lián)。應(yīng)用：較大功率電源中。缺點(diǎn)：體積大、重量大。t

uL0復(fù)式濾波器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電容與負(fù)載并聯(lián)，電感與負(fù)載串聯(lián)。性能特點(diǎn)：濾波效果好。復(fù)式濾波器分為兩類：L型濾波器π型濾波器LCC1C2穩(wěn)壓二極管0反向擊穿區(qū)UBRUR(V)反向截止區(qū)IF(mA)IR(μA)二極管反向的特性曲線UF(V)穩(wěn)壓二極管是一個(gè)特殊的面接觸型的半導(dǎo)體二極管，其伏安特性曲線與普通二極管相似，但反向擊穿曲線比較陡。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，由于它在電路中與適當(dāng)電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱穩(wěn)壓管。

普通二極管反向擊穿電壓越大越好，一般UBR

>100V。UZIZminIZmaxΔIZ穩(wěn)壓二極管的反向曲線越陡，即動(dòng)態(tài)電阻

rZ越小，穩(wěn)壓性能越好。普通穩(wěn)壓二極管工作電壓：UBR

=UZ=2.5～30V。DZ穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過(guò)程RC+UL-DZ+UD-+UR-+UC-IRILIDUL↓=UD↓→ID↓→IR↓→UR↓→UL↑Dz為穩(wěn)壓管，起電流調(diào)節(jié)作用，C為濾波電容，起恒定電壓作用，R為限流電阻，起電壓調(diào)節(jié)作用。穩(wěn)壓二極管的主要技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ——穩(wěn)壓管在規(guī)定電流下的反向

擊穿電壓。穩(wěn)定電流IZ——穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓下的工作

電流。最大穩(wěn)定電流IZmax——穩(wěn)壓管允許長(zhǎng)期通過(guò)

的最大反向電流。動(dòng)態(tài)電阻rZ——穩(wěn)壓管兩端電壓變化與電流

變化的比值，即:ΔUZ/ΔIZ。

rZ越小，穩(wěn)壓性能越好。

例題6如圖所示電路中，R

=RL=500Ω,DZ的穩(wěn)定工作電壓UZ=6V;求:①當(dāng)Ui=10V

時(shí)，UO

和IZ分別為多少？②當(dāng)Ui=20V

時(shí)，UO

和IZ分別又為多少？解：①當(dāng)Ui=10V

時(shí)，因?yàn)椋篣O+-RDZRLUi+-IZILIR所以：UO=5V，IZ=0.②當(dāng)Ui=20V

時(shí)，因?yàn)椋核裕篣O=UZ=6V，作業(yè)1如圖所示電路中，DZ的穩(wěn)定工作電壓UZ=10V，工作電流范圍為：10～60mA;輸入電壓Ui=20V

±20%；負(fù)載

RL的變化范圍為1～2kΩ,試確定限流電阻R的范圍？UO+-RDZRLUi+-IZILIR作業(yè)2畫出一個(gè)橋式整流、電容濾波的穩(wěn)壓電路；簡(jiǎn)述電路的穩(wěn)壓過(guò)程。如果變壓器次級(jí)輸出為：u2=141sinωt（V），那么在濾波電容兩端的電壓平均值為多少？發(fā)光二極管發(fā)光二極管（Light-EmittingDiode）簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)電路符號(hào)發(fā)光二極管的使用

發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過(guò)管子的電流。限流電阻R可用下式計(jì)算：式中:E為電源電壓；

UF為L(zhǎng)ED的正向壓降；

IF為L(zhǎng)ED的一般工作電流;

發(fā)光二極管的兩根引線中較長(zhǎng)的一根為正極，應(yīng)按電源正極。有的發(fā)光二極管的兩根引線一樣長(zhǎng)，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)安全性

LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而

異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于

公共場(chǎng)所。效能消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。穩(wěn)定性抗沖擊和