《電路與電子技術(shù)》課件第7章

第7章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用7.1半導(dǎo)體二極管7.2穩(wěn)壓二極管7.3特殊二極管簡介習(xí)題9

1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅、鍺等。純凈的半導(dǎo)體又稱為本征半導(dǎo)體，其原子排列整齊有序，呈晶體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體材料有幾個(gè)重要性質(zhì)，如熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。

摻雜特性是指在半導(dǎo)體中摻入微量元素后，其導(dǎo)電能力大為提高，且在本征半導(dǎo)體中摻入不同的微量元素后，就會(huì)得到不同性質(zhì)的半導(dǎo)體材料。7.1半導(dǎo)體二極管例如，在本征半導(dǎo)體硅中摻入微量磷元素，就會(huì)形成電子型半導(dǎo)體，又稱為N型半導(dǎo)體；摻入微量硼元素，就會(huì)形成空穴型半導(dǎo)體，又稱為P型半導(dǎo)體。把N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，其界面處就形成了PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。將PN結(jié)裝上電極引線和管殼，就是半導(dǎo)體二極管，又稱晶體二極管，簡稱二極管，其結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖7.1所示。

圖7.1二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)符號(hào)

2.半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?/p>

二極管最為重要的特性是其單向?qū)щ娦?，即加正向電?也叫正偏電壓)導(dǎo)通，如圖7.2(a)所示，二極管的陽極接電源正極，陰極接電源負(fù)極，此時(shí)燈亮；加反向電壓(也叫反偏電壓)截止，如圖7.2(b)所示，二極管的陰極接電源正極，陽極接電源負(fù)極，此時(shí)燈不亮。

圖7.2二極管的單向?qū)щ娦?a)正偏導(dǎo)通；(b)反偏截止

3.半導(dǎo)體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二極管通過的電流與其端電壓之間的關(guān)系，如圖7.3所示。

從圖7.3可看出：

(1)二極管的伏安特性是一條曲線，這表明二極管是非線性元件。

(2)當(dāng)二極管兩端的電壓較小時(shí)，二極管中沒有電流，即二極管不導(dǎo)通，這一段稱為死區(qū)。硅管的死區(qū)電壓為0.5V，鍺管為0.1V。

(3)電壓大于死區(qū)電壓后，電流急劇增大，這時(shí)二極管導(dǎo)通。硅管的導(dǎo)通電壓約為0.7V，鍺管約為0.3V。

圖7.3硅二極管的伏安特性

(4)當(dāng)二極管兩端加反向電壓時(shí)，管中會(huì)有很小的反向電流，且隨著反向電壓的增加，反向電流基本保持不變，稱為反向飽和電流。硅管的反向飽和電流為幾到幾十微安，鍺管為幾十到幾百微安。由于半導(dǎo)體的熱敏特性，反向飽和電流會(huì)隨著溫度的升高而增大，通常溫度每升高10℃，反向飽和電流約增大一倍。

(5)當(dāng)反向電壓過大時(shí)，其反向電流劇增，稱為二極管反向擊穿，擊穿時(shí)二極管由于過熱可能燒壞。

4.半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF。它是二極管允許長期通過的最大正向平均電流。有些電流較大的二極管必須按規(guī)定加裝散熱片，否則可能因過熱而燒壞。

(2)最高反向工作電壓URM。它是二極管工作時(shí)允許承受的最大反向工作電壓，實(shí)際使用時(shí)其反向工作電壓不要超過這一數(shù)值，以免造成二極管反向擊穿而損壞。

(3)最高工作頻率fM。超過這個(gè)頻率，二極管將失去單向?qū)щ娦浴?/p>

此外，還有反向電流、正向電壓等參數(shù)。

5.二極管的應(yīng)用

利用二極管的單向?qū)щ娦?，可?shí)現(xiàn)整流、限幅等功能。

1)二極管整流電路

二極管最基本的應(yīng)用是整流，即把交流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電。圖7.4(a)所示為二極管半波整流電路。若忽略二極管的死區(qū)電壓和反向飽和電流，則可把二極管看成理想二極管，即把二極管作為一個(gè)開關(guān)，當(dāng)輸入電壓為正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通(相當(dāng)于開關(guān)閉合)，uo=ui；當(dāng)輸入電壓為負(fù)半周時(shí)，二極管截止(相當(dāng)于開關(guān)打開)，uo=0。其輸入、輸出電壓波形如圖7.4(b)所示。

圖7.4二極管半波整流電路(a)電路；(b)輸入、輸出電壓波形

2)二極管限幅電路

限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化加以限制的電路，常用于波形變換和整形，如圖7.5(a)所示。設(shè)ui=5sinωtV，E=2V，當(dāng)ui>E時(shí)，二極管導(dǎo)通，uo=E=2V；當(dāng)ui<E時(shí)，二極管截止，電阻R中沒有電流，uo=ui。二極管限幅電路的輸入、輸出電壓波形如圖7.5(b)所示，顯然電路把輸出電壓的正峰值限制為2V。

圖7.5二極管限幅電路(a)電路；(b)輸入、輸出電壓波形

1.穩(wěn)壓二極管的伏安特性

穩(wěn)壓二極管實(shí)際上也是一種面接觸型硅二極管，簡稱穩(wěn)壓管，其伏安特性及符號(hào)如圖7.6所示。

從圖中可看出，穩(wěn)壓管的伏安特性與普通二極管相似，但穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)于特性曲線的AB段，稱為擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管中的PN結(jié)經(jīng)過了特殊處理，即使長時(shí)間工作在擊穿區(qū)也不會(huì)損壞，一旦除去外加反向電壓，PN結(jié)仍能恢復(fù)原狀。特性曲線AB段的特征是：當(dāng)電流有較大變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓變化卻很小，這一特性可用于穩(wěn)壓。7.2穩(wěn)壓二極管

圖7.6穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(hào)

(a)伏安特性；(b)符號(hào)

2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ。UZ指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)(反向擊穿狀態(tài))管子的端電壓，一般為3~25V，高的可達(dá)200V。

(2)穩(wěn)定電流IZ和IZmax。IZ指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流，IZmax指穩(wěn)壓管允許通過的最大反向電流。

(3)額定功耗PZ。PZ指保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功率損耗，且

PZ=UZIZmax

圖7.7穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路3.穩(wěn)壓管的應(yīng)用

穩(wěn)壓管主要用于構(gòu)成穩(wěn)壓電路，如圖7.7所示。

1)工作原理

穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)交流電源電壓升高，引起穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui增大時(shí)，輸出電壓(即穩(wěn)壓管上的電壓)Uo增加，這時(shí)穩(wěn)壓管的電流增加，使得電阻R上的電流增大，電阻R上的電壓也增大，電阻R上的電壓增量基本抵消了Ui的增量，所以輸出電壓Uo基本上可以保持不變，反之亦然。

2)電路元件的選擇

穩(wěn)壓管的選擇：穩(wěn)壓管IZ必須滿足IZ<IZmax，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ應(yīng)等于負(fù)載所需電壓Uo(穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定電流值可查晶體管手冊(cè))。多個(gè)穩(wěn)壓二極管也可串聯(lián)使用，以獲得較高的Uo值，但要注意穩(wěn)壓管不能并聯(lián)使用。

限流電阻R的選擇：若R的阻值太大，則造成穩(wěn)壓管不能擊穿而失去穩(wěn)壓作用；若R的阻值太小，則負(fù)載較輕時(shí)可能會(huì)燒毀穩(wěn)壓管。

選擇R的阻值有兩個(gè)原則：

(1)當(dāng)Ui最大而IL最小時(shí)，R應(yīng)滿足Uimax≤Uo＋R(IZmax＋I(xiàn)Lmin)；

(2)而當(dāng)Ui最小而IL最大時(shí)，R應(yīng)滿足Uimax≥Uo＋R(IZmax＋I(xiàn)Lmin)。

除了普通二極管和穩(wěn)壓二極管外，還有一些特殊二極管，如發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管等。下面分別予以簡單介紹。

1.發(fā)光二極管(LED)

發(fā)光二極管是一種能將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管，它的符號(hào)如圖7.8所示。發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，通常是用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物如砷化鎵、磷化鎵等

制成的。7.3特殊二極管簡介

圖7.8發(fā)光二極管的符號(hào)它的特性曲線和普通二極管相似，但正向?qū)妷阂话銥?～2V。當(dāng)對(duì)管子施加正向電壓時(shí)，會(huì)發(fā)出一定波長的可見光，光譜范圍比較窄，其波長由所用材料決定。波長不同，所發(fā)光的顏色也不同，常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發(fā)光二極管常用來作為顯示器件，除單個(gè)使用外，也常做成七段式或矩陣式發(fā)光二極管，工作電流一般在幾毫安至十幾毫安之間。

圖7.9光電二極管的符號(hào)

2.光電二極管

光電二極管在管殼上有一個(gè)玻璃窗口以便于接受光照，它的反向電流隨著光照強(qiáng)度的增加而上升。圖7.9是光電二極管的符號(hào)。其主要特點(diǎn)是反向電流與光照度成正比。

光電二極管可應(yīng)用于光的測量。當(dāng)制成大面積的光電二極管時(shí)，光電二極管可作為一種能源使用，稱為光電池。

圖7.10變?nèi)荻O管的符號(hào)

3.變?nèi)荻O管

二極管存在著PN結(jié)電容，結(jié)電容的大小除了與二極管的結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還隨反向電壓的增加而減小，利用這種特性可制成變?nèi)荻O管。

圖7.10所示為變?nèi)荻O管的符號(hào)。不同型號(hào)的管子，其電容的最大值為5～300pF。變?nèi)荻O管的最大電容與最小電容之比約為5∶1。變?nèi)荻O管在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。

1.題圖7.1所示的各電路中，二極管為理想二極管。試分析二極管的工作狀態(tài)，求出流過二極管的電流。

題圖7.1習(xí)題7

2.題圖7.2中,D1、D2都是理想二極管，求電阻R中的電流和電壓U。已知R=6kΩ，U1=6V，U2=12V。

題圖7.2

3.題圖7.3中，D1、D2均為理想二極管，直流電壓U1>U2，ui、uo是交流電壓信號(hào)的瞬時(shí)值。試求：

(1)當(dāng)ui>U1時(shí)，uo的值

(2)當(dāng)ui<U2時(shí)，uo的值

題圖7.3

4.在題圖7.4所示電路中，U=5V，ui=10sinωtV，D為理想二極管，試畫出電壓uo的波形。

題圖7.4

5.兩個(gè)穩(wěn)壓管DZ1和DZ2的穩(wěn)壓值分別為8.6V和5.4V，正向壓降均為0.6V，設(shè)輸入電壓Ui和R滿足穩(wěn)壓要求。

(1)要得到6V和14V電壓，試畫出穩(wěn)壓電路；

(2)若將兩個(gè)穩(wěn)壓管串聯(lián)連接，可有幾種形式？各自的輸出電壓是多少？

6.題圖7.5所示為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。負(fù)載電阻RL由開路變到2k