半导体二极管ppt课件.ppt

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1、构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),符号：,A,(anode),C,(cathode),分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,1.3 半导体二极管,1.3.1 半导体二极管的结构及分类,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,1)二极管的伏安方程,反向饱和电流,温度的电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T = 300(27C)：,U

2、T = 26 mV,1.3.2 二极管的特性,2) 二极管的伏安特性,正向特性,Uth,死区电压,iD = 0,Uth = 0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,UD(on) = (0.6 0.8) V,硅管 0.7 V,(0.1 0.3) V,锗管 0.2 V,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),定性,单向导电性,正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。,当0VV

3、th时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。,当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,反向特性,当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,3）硅、锗二极管的伏安特性曲线,正向特性,反向特性,反向击穿特性,二极管的特性对温度很敏感, 温度升高, 正向特性曲线向左移, 反向特性曲线向下移。 其规律是：在室温附近, 在同一电流下, 温度每升高, 正向压降减小.V；温

4、度每升高, 反向电流约增大 1 倍。,4) 二极管的温度特性：,(1) 最大整流电流。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于, 如超过, 二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热情况。 (2) 最大反向工作电压。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时, 二极管可能被击穿。为了留有余地, 通常取击穿电压的一半作为。 ,1.3.3 二极管的参数,(3) 反向电流。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小, 二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成, 所以值受温度的影响很大。 (4) 最高工作频率。的值主要取决于结结电容的大小, 结电容越大

5、, 则二极管允许的最高工作频率越低。,(5) 二极管的直流电阻。加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比, 称为二极管的直流电阻, 即此值可由二极管特性曲线求出, 如图示。工作点电压为.V, 电流, 则,图 求直流电阻,(6) 二极管的交流电阻。在二极管工作点附近, 电压的微变值与相应的微变电流值之比, 称为该点的交流电阻, 即,从其几何意义上讲, 当U时,就是工作点处的切线斜率倒数。显然, d也是非线性的, 即工作电流越大, 越小。交流电阻也可从特性曲线上求出, 如图 - 所示。过点作切线, 在切线上任取两点、 , 查出这两点间的和, 则得,图1-15 求交流电阻,4. 微变电阻 rD

6、,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,交流电阻rd也可利用PN结的电流方程求出。,即,式中, IDQ为二极管工作点的电流,单位取mA。式(1- 5)的近似等式在室温条件下(T=300 K)成立。 对同一工作点而言, 直流电阻RD大于交流电阻rd；对不同工作点而言,工作点愈高, RD和rd愈低。,取I的微分可得:,部分国产半导体高频二极管参数表,参数,型号,部分国产半导体整流二极管参数表,参数,型号,特性,符号及等效模型,正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = ,1.3.4 半导体二极管

7、的等效模型,线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。,（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。,UD(on),uD = UD(on),0.7 V (Si),0.2 V (Ge),（2）理想二极管串联恒压降模型： 二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。,UD(on),斜率1/ rD,rD1,UD(on),（3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增

8、加，模型中用一个电池和电阻 rD来作进一步的近似。,电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V；至于rD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下：,由于二极管的分散性，Vth、rD的值不是固定的。,1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,(4) 小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,应用举例,1. 二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,2. 试求电路中电流

9、 I1、I2、IO和输出电压UO的值。,解：假设二极管断开,UP = 15V,UP UN,二极管导通,等效为0.7 V 的恒压源,UO= VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V),IO= UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA),I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA),I1= IO + I2= 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA),P,N,第1章 半导体二极管,3. 二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。,0V,0

10、V,正偏导通,正偏导通,0V,0V,5V,正偏导通,反偏截止,0V,5V,0V,反偏截止,正偏导通,0V,5V,5V,正偏导通,正偏导通,5V,第1章 半导体二极管,4. 画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui =15 sint (V)作用下输出 uO的波形。,(按理想模型),第1章 半导体二极管,5. ui = 2 sin t (V), 分析二极管的限幅作用。,ui 较小，宜采用恒压降模型,ui 0.7V,V1、V2均截止,uO ui,uO 0.7V,ui 0.7V,V2导通V截止,ui 0.7V,V1导通V2截止,uO 0.7V,思考题:,V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？,第1章

11、半导体二极管,uD= VDD iDR,iD = f (uD),1.2V,100 ,M,N,斜率 1/R,静态工作点,也可取 UQ = 0.7V,IQ= (VDD UQ) / R = 5 (mA),二极管直流电阻 RD,斜率1/RD,iD,1.3.5 二极管电路的分析方法,1）二极管电路的直流图解分析,电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分,C 隔直流 通交流,当 ui = 0 时,iD = IQ,UQ= 0.7V (硅)，0.2V (锗),设 ui = sinwt,VDD,VDD/ R,Q,IQ,UQ,id,斜率1/rD,rd = UT / IQ= 26 mV / IQ,当 u

12、i 幅度较小时，二极管伏安特性在Q点附近近似为直线,2）交流图解法,对于交流信号电路可等效为,例1.3.6 ui = 5sint (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k，求 iD和uD,解,1. 静态分析,令 ui = 0, 取 UQ 0.7 V,IQ= (VDDUQ) / R = 3.3 mA,2. 动态分析,rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 (),Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA),id = 0.625 sint,3. 总电压、电流,= (0.7 + 0.005 sint ) V,= (3.3 + 0.625 sint ) mA,3）微变等效电

13、路分析法,1.3.6 稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。,伏安特性,应用电路,电路符号,1）原理利用PN结的反向击穿特性（雪崩击穿和齐纳击穿）,从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压VZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,2）稳压二极管的参数,(3) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的

14、功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin ,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,(5)稳定电压温度系数温度的变化将使VZ改变,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中：当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,稳压二极管在工作时应反

15、接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,3）几种稳压管的参数,由表可以看出2CW7C的性能比较好。温度系数小。其结构如下：,4）简单稳压电路的工作原理，R为限流电阻。,IR = IZ + IL,UO= UI IR R,当UI 波动时(RL不变),反之亦然,当 RL 变化时（ UI 不变）,反之亦然,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,5）稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流

16、为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,1.3.7 半导体二极管的测试,1) 半导体器件型号命名方法,2) 半导体二极管的识别与检测,(1) 目测判别极性,(2) 用万用表检测二极管,在 R1k 挡进行测量，,红表笔是(表内)负极 , 黑表笔是(表内)正极,测量时手不要接触引脚,1. 用万用表指针式检测,一般硅管正向电阻为几千欧锗管正向电阻为几百欧,正反电阻相差不大为劣质管,正反电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路,二极管的运用基础,

17、 就是二极管的单向导电特性。 在应用电路中, 关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般用电压源.V(硅管, 如是锗管用.V)代替, 或近似用短路线代替。截止时, 一般将二极管断开, 即认为二极管反向电阻为无穷大。,1.3.8 半导体二极管的应用,E,R,+U1-,+UO-,UI UI E+0.7vE+0.7v UI E+0.7v,UO =,E0,t,Ui,E0,t,UO,把输出幅度限在电平E+0.7v内,输出电压小于E+0.7V,当输入信号电压在一定范围内变化时, 输出电压随输入电压相应变化； 而当输入电压超出该范围时, 输出电压保持不变, 这就是限幅电路。,1) 限幅电路,限幅电路的作

18、用是限制输入/输出信号幅度的大小。电路如下：,E,R,+U1-,+UO-,UI UI E+0.7vE +0.7v UI E+0.7v,UO =,E0,t,Ui,E0,t,UO,把输出幅度限在电平E+0.7v内,输出电压小于E+0.7V,通常将输出电压Uo开始不变的电压值称为限幅电平,改变值就可改变限幅电平。 当输入电压高于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅称为下限幅。 ,(1). 并联二极管上限幅电路,V, 限幅电平为V。图（a）u时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止, uou。,并联二极管上限幅电路,Um, 则限幅电平

19、为。图（b）u, 二极管截止, uou；u, 二极管导通, uo。,并联二极管上限幅电路,m, 则限幅电平为-E, 。 图（c）u , 二极管导通, uo ；u , 二极管截止, uou。,V, 限幅电平为V。u时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止, uou。图（a）Um, 则限幅电平为。u, 二极管截止, uou；u, 二极管导通, uo。图（b）m, 则限幅电平为-E, 。 图（c） ,（2） 并联下限幅电路,将并联上限幅电路中的二极管反接，将构成并联下限幅电路,并联下限幅电路,并联上限幅电路,（3） 串联下限幅电路,电路如图所示。因为二极管VD与负载电阻RL串联，故称为串联限幅

20、电路。,a）电路图 b）波形图图 二极管串联下限幅电路,uo的波形如图（b）所示。,设输入信号ui为正弦波。则,（4） 串联限幅电路,将两个二极管VD1和VD2反向并联在电路的输出端，即可构成双向限幅电路，如图所示。,（5） 双向限幅电路,a）电路图 b）波形图图 二极管双向限幅电路,设输入信号ui为正弦波。则,uo的波形如图（b）所示。,2）二极管门电路,图 1 - 23 二极管“与”门电路,1）发光二极管 LED(Light Emitting Diode),1. 符号和特性,工作条件：正偏,一般工作电流几十mA， 导通电压1 2V,2. 主要参数,电学参数：I FM , U（BR） , I

21、R,光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量 ,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型： 普通LED ，,不可见光：红外光,，点阵LED,符号,特性,七段LED,1.3.9 特种二极管,材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。 电路中常用做指示或显示及光信息传送。,单个发光二极管,七段显示发光二极管,发光二极管的主要特性,补充：选择二极管限流电阻,步骤：,1. 设定工作电压（如0.7 V; 2 V (LED); UZ）,2. 确定工作电流（如1 mA; 10 mA; 5 mA）,3. 根据欧姆定律求电阻 R =（U

22、I UV）/ IV,（R要选择标称值）,2）光敏二极管,1符号和特性,符号,特性,工作条件：反偏,半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下，很容易脱离共价键而成为自由电子（本征激发）。因此可以用PN结构成光敏二极管。 光敏二极管的反向电流与光照度成正比。用感光灵敏度来衡量。典型值为：0.1A/Lx,2. 主要参数,电学参数：,光学参数：,光谱范围，灵敏度，峰值波长,暗电流，光电流，最高工作范围,3. 应用电路,发射相干单色光的特殊发光二极管。主要用于小功率光电设备，如光驱、激光打印头等。,3）激光二极管,触敏屏,发射红外线的特殊发光二极管。主要用于光电开关、红外遥控、红外通讯等。,4）红外二极管,发光二极管的应用示例：,5） 光电耦合器件,图 1 - 26 光电耦合器件,6） 变容二极管,图 1 - 27 变容二极管符号,