模擬電子技術(shù)第一章二極管2

1.結(jié)構(gòu)、符號及外形:負極PN正極封裝－外殼(陰極)(陽極)PN陽極引線陰極引線PN結(jié)加上引線和封裝，就成為一個二極管。1.2

半導(dǎo)體二極管

1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、符號、實物圖及類形二極管的實物外形:常見的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式。按照應(yīng)用的不同，二極管分為整流、檢波、開關(guān)、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢復(fù)和變?nèi)荻O管等。二極管的電路符號：

箭頭方向就是二極管正向電流的方向

二極管的分類:

二極管按半導(dǎo)體材料的不同可以分為硅二極管、鍺二極管和砷化鎵二極管等?？煞譃辄c接觸型、面接觸型和平面型二極管三類，

詳見教材----P10請看示例：點接觸型(高頻小信號)

面接觸型（大信號）

平面型（大電流）

(1)點接觸型二極管—PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。點接觸二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

(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。面接觸型

(3)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，用于高頻整流和開關(guān)電路中。平面型1.2.2

半導(dǎo)體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性方程：u是加在二極管上的端電壓，UT為熱電壓當量，UT＝kT/q,（當T＝300K時UT

＝26mV）。IS即為PN結(jié)反向飽和電流，與少數(shù)載流子濃度有關(guān)

。正偏時取u>0，反偏時u代入負值

二極管本質(zhì)上就是一個PN結(jié)二極管兩端的電壓U及其流過二極管的電流I之間的關(guān)系曲線，稱為二極管的伏安特性。正偏PN結(jié)存在著一個導(dǎo)通電壓UON

，稱為二極管的正向開啟（死區(qū)或門限）電壓

正偏伏安特性曲線:

1.正向特性正偏伏安特性方程:

i

/mAu

/V1.01μAGeSi當u<0．5V時，正向電流實際很小，不能認為PN結(jié)真正導(dǎo)通

而當u>0．6V以后，正向電流急劇增大，PN結(jié)呈現(xiàn)較陡的伏安特性

0.7V硅PN結(jié)導(dǎo)通電壓為0．7V

鍺PN結(jié)導(dǎo)通電壓為0．3V0.3V正偏時（即u>0），

且當u＞4UT時二極管反偏時，Ge管的反向飽和電流至少比Si管大三個數(shù)量級以上

3.

反向擊穿特性及原因

i

/mAu

/V1.01μAGeSi當PN結(jié)反偏電壓增大到一定值時，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。反向擊穿發(fā)生時的電壓值U(BR)

稱為反向擊穿電壓。U(BR)U(BR)導(dǎo)致出現(xiàn)反向擊穿的原因有下面兩種：

①

雪崩擊穿（價電子被碰撞電離）

②

齊納擊穿（價電子被場致激發(fā)）

內(nèi)建電場E空間電荷區(qū)內(nèi)建電場E空間電荷區(qū)③

兩種擊穿的特征

雪崩擊穿電壓較高，一般高于6V。溫度升高時，擊穿電壓增大

齊納擊穿電壓較低，一般小于4V。溫度升高時，擊穿電壓減小

擊穿發(fā)生時要限制電流的大小，以防結(jié)溫過高燒毀管子。

i/mA51015201.01pAT1T2T1T2T2>T14.溫度對特性的影響隨溫度升高，二極管的正向壓降會減小，正向伏安特性左移，即二極管的正向壓降具有負的溫度系數(shù)（約為-2mV/℃）.二極管是對溫度非常敏感的器件。實驗表明，溫度升高，反向飽和電流會增大，反向伏安特性下移，溫度每升高10℃，反向電流大約增加一倍;1.最大平均整流電流IF

:

是指二極管長期工作時，允許通過的最大正向平均電流。2.最大反向工作電壓URM

：是指二極管正常工作時，所承受的最高反向電壓。在數(shù)值上應(yīng)小于反向擊穿電壓UBR，常?。?/p>

3.反向飽和電流IR：是指在規(guī)定的反向電壓和室溫下，測得的反向電流值。1.2.3

半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)其值越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶谩?.最高工作頻率fM

：取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小，結(jié)電容CJ越大，二極管允許的最高工作fM越低。5．直流電阻RD

一般把加在二極管上的直流偏置電壓UD和直流偏置電流ID稱為二極管的工作點（Q）。uDiDUD1ID1Q1二極管的直流電阻RD定義為：該工作點處的直流電壓和直流電流的比值：Q2UD2ID2即RDl=UD1/ID1

，RD2=UD2/ID2

顯然，RD2<RDl

ID|QRD二極管反偏時因電流極小，故反偏時直流電阻很大。1.2.4二極管的測試1.二極管極性的判定

將紅、黑表筆分別接二極管的兩個電極，若測得的電阻值很?。◣浊W以下），則黑表筆所接電極為二極管正極，紅表筆所接電極為二極管的負極；若測得的阻值很大（幾百千歐以上），則黑表筆所接電極為二極管負極，紅表筆所接電極為二極管的正極，如圖所示。二極管極性的測試2.二極管好壞的判定

（1）若測得的反向電阻很大（幾百千歐以上），正向電阻很小（幾千歐以下），表明二極管性能良好。

（2）若測得的反向電阻和正向電阻都很小，表明二極管短路，已損壞。（3）若測得的反向電阻和正向電阻都很大，表明二極管斷路，已損壞。1.2.6二極管的命名方法

用數(shù)字表示電極數(shù)目用字母表示材料和極性用字母表示類型用數(shù)字表示序號用數(shù)字表示規(guī)格半導(dǎo)體器件的型號組成1.

二極管用于整流電路tO

2

3

u2tO

2

3

uOtO

2

3

iD=iOＶRL~220V+uｏ–u2iD+uD–1.2.7

半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用普通二極管的應(yīng)用范圍很廣，可用于開關(guān)、穩(wěn)壓、整流、限幅等電路。當|

ui

(t)|<UON時，D1和D2均未導(dǎo)通，視為開路，故限流電阻R上電流為零，此時uo(t)=ui(t)

當ui

(t)>UON時，D1導(dǎo)通(D2仍截止)，使uo(t)保持0．7V不變

當ui(t)<-UON時，D2導(dǎo)通(D1截止)，uo(t)保持在-0．7V不變2．二極管限幅電路

RD1+

uo(t)-+ui(t)-D2假設(shè)輸入信號ui

(t)是振幅為3V的正弦電壓

ui(t)t3VSi二極管D1和D2可以用恒壓源近似(UON

≈0．7V)u0(t)t3V0.7V-0.7V這是一種雙向限幅電路1.3

特殊二極管1．穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管電路符號DZ+-雙穩(wěn)壓管電路符號1）電路符號：穩(wěn)壓二極管又名齊納二極管，簡稱穩(wěn)壓管，是一種用特殊工藝制作的面接觸型硅半導(dǎo)體二極管，這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，容易發(fā)生擊穿，其擊穿時的電壓基本上不隨電流的變化而變化，從而達到穩(wěn)壓的目的。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。1.0SiiD

/mAuD/V5101520導(dǎo)通區(qū)死區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)反向擊穿特性曲線非常陡直

擊穿電壓十分穩(wěn)定

在擊穿區(qū)的工作點上交流電阻很小

穩(wěn)壓管就是一種專門工作在反向擊穿狀態(tài)的二極管

穩(wěn)壓管工作時負極要接高電位，并使其擊穿

IZmin

IZmax

UZ3)穩(wěn)壓管參數(shù)①穩(wěn)定電壓UZUZ在規(guī)定測試電流(如50mA)下的反向擊穿電壓

②最小穩(wěn)定電流IZminIZmin擊穿電流大于該值后穩(wěn)壓性能才好

③最大穩(wěn)定電流IZmaxIZmax擊穿電流不允許超過該值，否則穩(wěn)壓管會因管耗過大而燒壞(此時管耗PZ＝UZIZmax)④動態(tài)電阻rz在(IZmin

～IZmax)范圍內(nèi)，穩(wěn)壓管交流電阻的典型值rz越小的管子穩(wěn)壓性能越好⑤溫度系數(shù)α

UZ>7V的穩(wěn)壓管一般為雪崩擊穿型，α為正，Uz<5V的穩(wěn)壓管一般為齊納擊穿型，α為負

UZ在5V～7V之間的穩(wěn)壓管一般為混合擊穿型

2）工作特性：應(yīng)用穩(wěn)壓管應(yīng)注意的問題

①穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時，一定要外加反向電壓，保證管子工作在反向擊穿區(qū)。當外加的反向電壓值大于或等于UZ時，才能起到穩(wěn)壓作用；若外加的電壓值小于UZ，穩(wěn)壓二極管相當于普通的二極管使用。②在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，一定要配合限流電阻的使用，保證穩(wěn)壓管中流過的電流在規(guī)定的范圍之內(nèi)。發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，英文縮寫是LED。此類管子通常由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向?qū)ǎ攲?dǎo)通電流足夠大時，能把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，發(fā)出光來。

目前發(fā)光二極管的顏色有紅、黃、橙、綠、白和藍6種，所發(fā)光的顏色主要取決于制作管子的材料，例如用砷化鎵發(fā)出紅光，而用磷化鎵則發(fā)出綠光。其中白色發(fā)光二極管是新型產(chǎn)品，主要應(yīng)用在手機背光燈、液晶顯示器背光燈、照明等領(lǐng)域。2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管工作時導(dǎo)通電壓比普通二極管大，其工作電壓隨材料的不同而不同，一般為1.7V～2.4V。普通綠、黃、紅、橙色發(fā)光二極管工作電壓約為2V；白色發(fā)光二極管的工作電壓通常高于2.4V；藍色發(fā)光二極管的工作電壓一般高于3.3V。發(fā)光二極管的工作電流一般在2mA～25mA的范圍。發(fā)光二極管應(yīng)用非常廣泛，常用作各種電子設(shè)備如儀器儀表、計算機、電視機等的電源指示燈和信號指示等，還可以做成七段數(shù)碼顯示器等。發(fā)光二極管的另一個重要用途是將電信號轉(zhuǎn)為光信號。發(fā)光二極管的外形和符號3.光電二極管

光電二極管又稱為光敏二極管，它是一種光接受器件，其PN結(jié)工作在反偏狀態(tài)，可以將光能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。下圖為光電二極管的基本電路和符號。

光電二極管

-4-8-12-50I/μAUD/V光電二極管的PN結(jié)特性曲線E=400lxE=200lx反向電流與光照度E成正比：

發(fā)光二極管(LED)

將電能轉(zhuǎn)換為光能將光能轉(zhuǎn)換為電能普通發(fā)光二極管

（砷化鎵中摻入磷、磷化鎵）紅外線發(fā)光二極管（砷化鎵）發(fā)光二極管的符號+-光電二極管的符號+-比較：二極管型光電耦合器二極管光電耦合器：由發(fā)光二極管和光電二極管組合而成

輸出電路輸入電路通常光電耦合器用于計算機控制系統(tǒng)的接口電路中以光為媒介實現(xiàn)電信號的傳輸：輸出電信號輸入電信號光信號（隨電信號變化）工作原理：4.變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)的電容效應(yīng)進行工作的，它工作在反向偏置狀態(tài)，當外加的反偏電壓變化時，其電容量也隨著改變。電容是一種能儲存電荷(充電)和釋放電荷(放電)的元件

.1）變?nèi)莨艿碾娐贩?2）變?nèi)莨艿念愋?

點接觸型PN結(jié)面積小，結(jié)電容很小，能在甚高頻乃至微波波段完成混頻或檢波。面接觸型PN結(jié)面積大，極間電容大，可流過的直流或低頻電流大，適用頻率低。

PN結(jié)電容CJ包括勢壘電容CT和擴散電容CD:CJ=CT+CD

idCDCTrd正偏二極管的擴散電容CD比勢壘電容CT大，CJ以CD為主加反向偏壓時，CD=0，CJ以CT為主

5.激光二極管

激光二極管是在發(fā)光二極管的PN結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，構(gòu)成一個光諧振腔。工作時接正向電壓，可發(fā)射出激光。

激光二極管的應(yīng)用非常廣泛，在計算機的光盤驅(qū)動器，激光打印機中的打印頭，激光唱機，激光影碟機中都有激光二極管。一、二極管的伏安特性二極管兩端的電壓U及其流過二極管的電流I之間的關(guān)系曲線，稱為二極管的伏安特性。小結(jié)1.正向特性二極管外加正向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的正向特性。如圖所示，當二極管所加正向電壓比較小時（0<U<Uth），二極管上流經(jīng)的電流為0，管子仍截止，此區(qū)域稱為死區(qū)，Uth稱為死區(qū)電壓（門坎電壓）。硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺二極管的死區(qū)電壓約為0.1V。2.反向特性二極管外加反向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的反向特性。

二極管外加反向電壓時，反向電流很?。↖≈-IS），而且在相當寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流。3.反向擊穿特性從圖可見，當反向電壓的值增大到UBR時，反向電壓值稍有增大，反向電流會急劇增大，稱此現(xiàn)象為反向擊穿，UBR為反向擊穿電壓。利用二極管的反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般的二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)。二極管的伏安特性曲線二、溫度對二極管伏安特性的影響三、二極管的主要參數(shù)1、最大整流電流IF

最大整流電流IF是指二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大正向電流的平均值。2、反向擊穿電壓UBR

反向