1、4.2 半导体二极管,半导体二极管是由PN结加上引出线和管壳构成的。,1、按照所用的半导体材料：可分为锗管和硅管。2、根据其不同用途：可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。3、按照管芯结构：可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。,一、二极管的分类,二极管的分类、型号和参数(细化),1分类,(1)按材料分：硅管、锗管,(2)按 PN 结面积：点接触型(电流小，高频应用)、面接触型(电流大，用于整流),(3)按用途：如图所示。,二极管图形符号, 整流二极管：利用单向导电性把交流电变成直流电的二极管。, 稳压二极管：利用反向击穿特性进行稳压的二极管。, 发光二极管：利
2、用磷化镓把电能转变成光能的二极管。, 光电二极管：将光信号转变为电信号的二极管。, 变容二极管：利用反向偏压改变 PN 结电容量的二极管,2型号举例如下：,整流二极管2CZ82B稳压二极管2CW50变容二极管2AC1 等等。,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,PN结面积小，结电容小，用于高频小电流电路。,往往用于集成电路制造工艺中。结面积大，则用于大功率整流。结面积小，则用于高频、脉冲和开关电路中。,二极管的符号,二、二极管的伏安特性,半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正
3、向特性,当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当0VVD(on)时，正向电流为零， VD(on)称为开启电压。,当VVon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,硅二极管的Von=0.5 V左右， 锗二极管的Von=0.1 V左右。,反向特性,当V0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 。这个特性也称反向击穿特性。,温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流急剧增加。,三、二极管的参数, 最大整流电流(IF), 反向击穿电压
4、(VBR),由于电流通过PN结，使得管子发热，电流达到一定程度，管子因过热而烧坏。,最大反向工作电压VRM,指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,指管子反向击穿时的电压。,在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。, 正向压降VF,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6V0.8V；锗二极管约0.1V0.3V。, 最高工作频率fM,二极管工作的上限频率，超过该频率，结电容起作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。, 反向电流IR,指管子未击穿之前的反向电流，其值愈小，则管子的单向导电性愈好。,由于反向电
5、流与温度有关，所以使用二极管时注意温度的影响。,四、二极管等效电路,理想模型,电源电压远比二极管的压降大时可以认为：正向偏置时，二极管的管压降为零伏；反向偏置时，认为它的电阻无穷大，电流为零。,二极管是非线性器件，为了便于分析，常在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管。该电路成为二极管的等效电路。,例题,二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用理想模型求解电路的VD和ID。,ID=（VDD-VD）R = （10-0）V10K =1mA,解,VD=0V,恒压降模型,当流过二极管的电流近似等于或大于1mA时，可以认为二极管导通后，管压降是恒定的，且不随电流而变；硅管为0.7伏，
6、锗管为0.3伏。,例题,硅二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用恒压降模型求解电路的VD和ID。,解,VD=0.7V,ID=（VDD-VD）R = （10-0.7）V10K =0.93mA,折线模型,为了较真实地描述二极管的V-I特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着流过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和电阻来作进一步的近似。电池的电压为门坎电压Von，它的电阻为,例题,硅二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用折线模型求解电路的VD和ID。,解,rD=(V-Vth)/I= (0.7-0.5)V/1mA=0.2K,ID=（VD
7、D-Vth）(R+ rD) = （10-0.5）V(10+0.2)K =0.931mA,VD = VDD- IDR = 10-0.93110 = 0.69V,小信号模型,如果二极管工作在V-I特性的某一小范围内工作时，则可以把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是微变电阻 rd,二极管的简单测试,万用表检测二极管,将红、黑表笔分别接二极管两端。所测电阻小时，黑表笔接触处为正极，红表笔接触处为负极。,1判别正负极性,用万用表检测二极管如图所示。,2判别好坏,万用表检测二极管,万用表测试条件：R 1k。,(3)若正向电阻约几千欧，反向电阻非常大，二极管正常。,(2)若正反向电阻非常大，二极管开路
8、。,(1)若正反向电阻均为零，二极管短路；,例题：,1、限幅电路：它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。,一限幅电路如图所示，R=1K，VREF=3V。当Ui=6sint(V)时，利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。,解,Ui3.7V时D导通， UO=0.7+3=3.7V,五、二极管应用举例,2、开关电路：利用二极管的单向导电性以接通或断开电路，这在数字电路中广泛应用。,例题：,二极管开关电路如图所示，当Ui1和Ui2为0V或5V时，求Ui1和Ui2的值不同组合情况下，输出电压Uo的值。设二极管是理想的。,截止,截止,截止,截止,导通,导通,导
9、通,导通,0,5,5,5,3、整流电路：将交流电压转换成脉动的直流电压。,例题：,单相桥式整流电路如图所示，电源US为正弦波电压，试绘出负载RL两端的电压波形，设二极管为理想的。,解,Ui0V时D2、D3导通，UO= Ui,Ui0V时D4、D1导通，UO= -Ui,工程应用,发光二极管和光电二极管的检测,发光二极管的检测与普通二极管的检测方法基本相似，但由于发光二极管的正向导通电压一般在 1.5 V 以上，故检测时必须用万用表的 R 10k 挡，正向电阻小于 50 k ，反相电阻大于 200 k 时发光二极管为正常。,由于光电二极管工作时应加反向电压，故检测时着重观察反向电阻在有无光照时的变化
10、，用万用表的 R 1k 挡，当有光照时，反向电阻小，无光照时，反向电阻大为正常，当无光照时电阻差别很小，表明光电二极管的质量不好。,1.2晶体二极管整流电路,1.2.1单相半波整流电路,1.2.2单相桥式整流电路,1.2晶体二极管整流电路,整流：把交流电变成直流电的过程。,整流原理：二极管的单向导电特性,二极管单相整流电路：把单相交流电变成直流电的电路。,1.2.1单相半波整流电路,1电路 如图(a)所示,V：整流二极管，把交流电变成脉动直流电；T：电源变压器，把 v1 变成整流电路所需的电压值 v2。,2.工作原理,设 v2 为正弦波，波形如前页图 (b) 所示。,(1)v2 正半周时，A
11、点电位高于 B 点电位，二极管 V 正偏导通，则 vL v2；,(2)v2 负半周时，A 点电位低于 B 点电位，二极管 V 反偏截止，则 vL 0。,由波形可见，v2 一周期内，负载只用单方向的半个波形，这种大小波动、方向不变的电压或电流称为脉动直流电。,上述过程说明，利用二极管单向导电性可把交流电 v2 变成脉动直流电 vL。由于电路仅利用 v2 的半个波形，故称为半波整流电路。,3负载和整流二极管上的电压和电流,(1)负载电压 VL VL = 0.45 V2 (1.2.1),(2)负载电流 IL (1.2.2),(3)二极管正向电流 IV 和负载电流 IZ (1.2.3),(4)二极管反
12、向峰值电压 VRM (1.2.4),选管条件,(1)二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压；,(2)二极管允许的最大整流电流应大于流过二极管的实际工作电流。,电路缺点：电源利用率低，纹波成分大。,解决办法：全波整流。,1.2.2单相桥式整流电路,1电路如图,V1 V4 为整流二极管，电路为桥式结构,(2)v2 负半周时，如图(b)所示，A 点电位低于 B 点电位，则 V2、V4 导通(V1、V3 截止)，i2 自上而下流过负载 RL。,桥式整流电路工作过程,2工作原理,(1)v2 正半周时，如图(a)所示，A 点电位高于 B 点电位，则 V1、V3导通(V2、V4截止)，i1 自上而
13、下流过负载 RL；,由波形图可见，v2 一周期内，两组整流二极管轮流导通产生的单方向电流 i1 和 i2 叠加形成了 iL。于是负载得到全波脉动直流电压 vL。,桥式整流电路工作波形图,3负载和整流二极管上的电压和电流,(1)负载电压 VL (1.2.9),(2)负载电流 IL (1.2.10),(3)二极管的平均电流 IV (1.2.11),(4)二极管承受反向峰值电压 VRM (1.2.12),优点：输出电压高，纹波小，VRM 较低，应用广泛。,4桥式稳流电路的简化画法,例1.2.1有一直流负载，需要直流电压 VL= 60 V ，直流电流 IL= 4 A。若采用桥式整流电路，求电源变压器二
14、次电压 V2 选择整流二极管。,解,因为VL = 0.9V2,所以,流过二极管的平均电流,二极管承受的反向峰值电压,查晶体管手册，可选用整流电流为 3 安培，额定反向工作电压为 100 V 的整流二极管 2CZ12A(3 A/100 V)4 只。,半桥和全桥整流堆,整流元件组合件称为整流堆，常见的有：,(1)半桥：2CQ 型，如图(a)所示；,(2)全桥：QL 型，如图(b)所示。,优点：电路组成简单、可靠。,六、特殊二极管,稳压管,稳压管又称齐纳二极管，它是一种特殊工艺制造的半导体二极管。它的符号如图所示。,1、稳压管的伏安特性,稳压管的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，该区域也很
15、窄，容易形成强电场（强电场容易引起齐纳击穿）。,当反向电压加到某一定值时VZ ，产生反向击穿，反向电流急剧增加，只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会损坏。,2、稳压管的主要参数, 稳定电压VZ,指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为3V，高的可达300V，它的正向电压约为0.6V。, 稳定电流IZ（ Izmin Izmax ）,指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于Izmin时稳压效果变坏，甚至根本不稳压；只要不超过稳压管的额定功率，电流越大，稳压效果越好。, 额定功耗PZM,指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。, 温度系数,指温度每变化1时稳压值的变化量。 VZ小于4V的管子具有负温度系数， VZ大于7V的管子具有正温度系数。4V至7V的管子温度系数非常小。, 动态电阻rz,指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。,接法：反接,电阻R的作用：限流,RL代表：负载,RL IO IR VO IZ IR VO,工作区：反向击穿,3、稳压管的基本电路,
