二极管及其应用.doc

《二极管及其应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二极管及其应用.doc（19页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流二极管及其应用.精品文档.第4章 半导体二极管及其应用电子电路区别于以前所学电路的主要特点是电路中引入各种电子器件。电子器件的类型很多，目前使用得最广泛的是半导体器件二极管、稳压管、晶体管、绝缘栅场效应管等。由于本课程的任务不是研究这些器件内部的物理过程，而是讨论它们的应用，因此，在简单介绍这些器件的外部特性的基础上，讨论它们的应用电路。4.1 PN结和半导体二极管4.1.1 PN结的单向导电性我们在物理课中已经知道，在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。这是由于

2、形成了有传导电流能力的载流子。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。 （a） PN结加正向电压 （b） PN结加反向电压 图 4-1 PN 结的单向导电性RRN PIE外加电场自建电场N PI 0E外加电场自建电场在一块半导体基片上通过适当的半导体工艺技术可以形成型半导体和型半导体的交接面，称为PN结。PN结具有单向导电性：当PN结加正向电压时，端电位高于N端，

3、PN结变窄,由多子形成的电流可以由区向区流通，见图4-1 (a),而当PN结加反向电压时，端电位高于端，PN结变宽,由少子形成的电流极小，视为截止(不导通)，见图4-1 (b)。4.1. 半导体二极管 半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由区引出的电极称为阳极，区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。二极管的种类很多，按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种。阴极 阴极 阴极 阴极 阴极阳极 阳极 阳极 阳极 阳

4、极（a）符号 （b）点接触型 （c）面接触型 （d）硅平面型 （e）外形示意图 图4-2 常用二极管的符号、结构和外形示意图图4-2是常用二极管的符号、结构及外形的示意图。二极管的符号如图4-2（a）所示。箭头表示正向电流的方向。一般在二极管的管壳表面标有这个符号或色点、色圈来表示二极管的极性，左边实心箭头的符号是工程上常用的符号，右边的符号为新规定的符号。从工艺结构来看，点接触型二极管（一般为锗管）如图4-2(b)其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）如图4-2(c)其特点是结面积大，结

5、电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管如图4-2(d)，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。4.1.3 二极管的伏安特性二极管的电流与电压的关系曲线I = f（V），称为二极管的伏安特性。其伏安特性曲线如图4-3所示。二极管的核心是一个PN结，具有单向导电性，其实际伏安特性与理论伏安特性略有区别。由图4-3可见二极管的伏安特性曲线是非线性的，可分为三部分：正向特性、反向特性和反向击穿特性。1 正向特性60 40 20 0图4-3 二极管的伏安特性I (mA)75 20死区20 750.4 0.8 V(V)302010当外加正向电压很低时，管子

6、内多数载流子的扩散运动没形成，故正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电流，这个电压值称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V，当正向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，硅管正向压降约为0.60.7V，锗管的正向压降约为0.20.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，如图4-3所示，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研究表明，温度每升高10C，正向压降减小2mV。2. 反向特性二极管加上反向电压时，形成很小的

7、反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十A，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1A以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表明，温度每升高100C，反向电流近似增大一倍。3反向击穿特性当二极管的外加反向电压大于一定数值（反向击穿电压）时，反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。4.1.4二极管的主要参数二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，参数同样能反映出二极管的电性能,器件的参数是正确

8、选择和使用器件的依据。各种器件的参数由厂家产品手册给出，由于制造工艺方面的原因，既使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册常给出某个参数的范围，半导体二极管的主要参数有以下几个：最大整流电流IDMIDM指的是二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。在使用时，若电流超过这个数值，将使结过热而把管子烧坏。反向工作峰值电压VRMVRM是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。一般这个参数是二极管反向击穿电压的一半，若反向电压超过这个数值，管子将会有击穿的危险。反向峰值电流IRMIRM是指二极管加反向电压VRM时的反向电流值，IRM越小二极管的单向导电性愈好。IRM受温度影响很大，使用时

9、要加以注意。硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。最高工作频率M二极管在外加高频交流电压时，由于结的电容效应，单向导电作用退化。M指的是二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。4.1.5二极管的等效电路及其应用KD图4-4 理想二极管等效电路由于二极管的伏安特性是非线性的，为了分析计算方便，在特定的条件下，我们可以将其线性化处理，视为理想元件。1理想二极管等效电路在电路中，若二极管导通时的正向压降远小于和它串联元件的电压，二极管截止时反向电流远小于与之并联元件的电流，那么可以忽略管子的正向压降和反向电流把二极管理想化为一个开关，当外加正向电压时

10、，二极管导通，正向压降为，相当于开关闭合，当外加反向电压时，二极管截止，反向电流为，相当于开关断开，理想二极管的等效电路如图4-4。利用理想二极管表示实际二极管进行电路的分析和计算可以得出比较满意的结果，但稍有一些误差。VS （a）vo图4-5 例4-1（b） VSvi RD ttvivoVSVm2二极管应用电路举例二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。下面介绍几种应用电路。(1) 限幅电路：限幅器的功能就是限制输出电压的幅度。例4-1图4-5（a）就是利用二极管作为正向限幅器的电路图。已知vi = Vmsint，且VmVS，试分析工作原理，并作出输出电压vo的波形。解：a) 二极

11、管导通的条件是viVS，由于D为理想二极管，D一旦导通，管压降为零，此时vo VSb） 当viVS时，二极管截止，该支路断开，R中无电流，其压降为。 所以vo vi c) 根据以上分析，可作出vo的波形，如图4-5（b）所示，由图可见，输出电压的正向幅度被限制在VS值。注意：作图时，vo和vi的波形在时间轴上要对应，这样才能正确反映vo的变化过程。(2) 二极管门电路门电路是一种逻辑电路，在输入信号（条件）和输出信号（结果）之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号0和1来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。基本的逻辑关系有三种：

12、与逻辑、或逻辑、非逻辑。与此相对应的门电路就有与门、或门、非门。由这三种基本门电路可以组成其他多种复合门电路。F图4-6 二极管与门电路及符号VCCD1D2ABRFAB&A(V)B(V)F(V)003303030003ABF001001010001表4-1电路的逻辑电平表4-2 电路的真值表例4-2 图 4-6所示为最简单的与门电路及逻辑图符号。它是由二极管D1、D2和电阻R及电源VCC组成。图中A、B为两个输入端，F为输出端。设VCC=5V，A、B输入端的高电平（逻辑1）为3V，低电平（逻辑0）为0V， 并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。试分析电路的输入与输出之间的关系。解：（1）当输入

13、端A、B均为低电平0时，即VA = VB = 0V时，二极管D1、D2均为正向偏置而导通，使输出端F的电压VF = 0V，即输出端F为低电平0。（2）当输入端A为低电平0，B为高电平1，即VA = 0V，VB = 3V时，D1阴极电位低于D2阴极电位，D1导通，使VF = 0V，因而D2为反向偏置而截止，输出端F为低电平0。（3）当输入端A为高电平1，B为低电平0，即VA = 3V，VB = 0V时，D1、D2的工作情况与（2）相反，输出端F仍为低电平0。（4）当输入端A、B均为高电平1时，即VA = VB = 3V时，D1、D2均为正向偏置而导通，使输出端F的电压VF = 3V，即输出端F为

14、高电平1。从上述分析可知，只有当所有输入端都是高电平1时，输出端才是高电平1，否则输出端均为低电平0。这种“只有当决定一事件结果的所有条件都满足时，结果才发生”的逻辑关系称为与（And）逻辑，与门电路满足与逻辑关系。与逻辑也称为逻辑乘、与运算。通常用符号“ ”表示，设A、B、F分别为逻辑变量，则与运算的表达式可写成以下形式：FAB 或 FAB 上式读作F等于A与B。逻辑与的含义是：只有输入变量A、B都为1 时，输出变量F才为1；只要A、B中有一个为0，F便为0。换言之，也就是“有0出0，全1出1”。这一结论也适合于有多个变量参加的与运算。表4-1列出了图4-6所示电路输入与输出逻辑电平的关系。

15、但在逻辑电路分析中，通常用逻辑0、1来描述输入与输出之间的关系，所列出的表称为真值表（即逻辑状态表）。上述与门的真值表如表4-2所示。FD1D2ABRFAB1A(V)B(V)F(V)003303030333ABF001001010111图4-7 二极管或门电路及符号表4-3电路的逻辑电平表4-4 电路的真值表另外，图4-7给出了或门电路及逻辑图符号。它也是由二极管和电阻组成的。图中A、B是两个输入端，F是输出端。设A、B输入端的高电平（逻辑1）为3V，低电平（逻辑0）为0V， 并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。通过分析（详细过程读者可以自己分析）可知，只要A 、B当中有一个是高电平（逻辑1

16、）输出就是高电平（逻辑1）。只有当A、 B同时为低电平（逻辑0）时，输出才是低电平（逻辑0）。这种“在决定一事件结果的所有条件中，只要有一个或一个以上满足时结果就发生”的逻辑关系称或（Or）逻辑。或门电路满足或逻辑关系。或逻辑也称为逻辑加、或运算。通常用符号“”来表示，设A、B、F分别为逻辑变量，则或运算的表达式可写成以下形式：FAB 上式读作F等于A或B。逻辑或的含义是：只有输入变量A、B中有一个或一个以上为1， 输出变量F就为1；反之，只有A、B全为0时，F才为0。换言之，也就是“有1出1，全0出0”。这一结论也适合于有多个变量参加的或运算。表4-3列出了图4-7所示电路输入与输出逻辑电平

17、的关系。表4-4为上述或门的真值表。4.2特殊二极管除了上述普通二极管外，还有一些特殊二极管，如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等，分别介绍如下。4.2.1 稳压管Vi DZIZRDZVZ RLoIZ abViIZVZVZ稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作用。图4-8（a）为稳压管在电路中的正确联接方法；图（b）和图（c）为稳压管的伏安特性及图形符号。稳压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在PN结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏。从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较小时，

18、反向电流几乎为零，当反向电压增高到击穿电压Vz（也是稳压管的工作电压）时，反向电流Iz（稳压管的工作电流）会急剧增加，稳压管反向击穿。在特性曲线ab段，当Iz在较大范围内变化时，稳压管两端电压Vz基本不变，具有恒压特性，利用这一特性可以起到稳定电压的作用。(a) (b) (C)图4-8 稳压管电路、伏安特性及符号稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的，只要不超过稳压管的允许值，PN结就不会过热损坏，当外加反向电压去除后，稳压管恢复原性能，所以稳压管具有良好的重复击穿特性。稳压管的主要参数有：1稳定电压VZ。稳定电压VZ指稳压管正常工作时，管子两端的电压，由于制造工艺的原因，稳压值也有一

19、定的分散性，如2CW14型稳压值为6.07.5V。2动态电阻rz。动态电阻是指稳压管在正常工作范围内，端电压的变化量与相应电流的变化量的比值。 (41)稳压管的反向特性愈陡，rZ愈小，稳压性能就愈好。3. 稳定电流IZ。稳压管正常工作时的参考电流值，只有IIZ，才能保证稳压管有较好的稳压性能。4最大稳定电流IZmax 。允许通过的最大反向电流，I IZmax管子会因过热而损坏。5. 最大允许功耗PZM。管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM =VZ IZmax6.电压温度系数V。温度变化10C时，稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电压温度系数越小，温度稳定性越好，通常硅稳压管在VZ低于4

20、V时具有负温度系数,高于6V时具有正温度系数, VZ在46V之间，温度系数很小。稳压管正常工作的条件有两条，一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。当稳压管正偏时，它相当于一个普通二极管。图4-8（a）为最常用的稳压电路，当Vi或RL变化时，稳压管中的电流发生变化，但在一定范围内其端电压变化很小，因此起到稳定输出电压的作用。（该电路分析见4.4节）4.2.2 光电二极管(a) (b)图4-9 光电二极管-+-+I光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数

21、载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电二极管的等效电路如图4-9（a）所示，图4-9（b）为光电二极管的符号。光电二极管的主要参数有：1 暗电流：无光照时的反向饱和电流。一般0时，D导通，电源在向RL供电的同时，又向C充电储能，由于充电时间常数很小（绕组电阻和二极管的正向电阻都很小），充电很快，输出电压vo随v2上升，当vC =后，v2开始下降v2 vC时C又被充电vo = v2又上升。直到v2vC，D又截止，C又放

22、电，如此不断的充电、放电，使负载获得如图4-14中实线所示的vo波形。由波形可见，半波整流接电容滤波后，输出电压的脉动程度大为减小，直流分量明显提高C值一定，当RL = ，即空载时Vo= = 1.4 ，在波形图中由水平虚线标出。当RL 时，由于电容C向RL放电，输出电压Vo将随之降低。总之，RL愈小，输出平均电压愈低。因此，电容滤波只适合在小电流，且变动不大的电子设备中使用。通常，输出平均电压可按下述工程估算取值 （4-10）为了达到式（4-10）的取值关系，获得比较平直的输出电压，一般要求，即 （4-11）式中T电源交流电压的周期。此外，由于二极管的导通时间短（导通角小于1800），而电容的

23、平均电流为零，可见二极管导通时的平均电流和负载的平均电流相等，因此二极管的电流峰值必然较大，产生电流冲击，容易使管子损坏。具有电容滤波的整流电路中的二极管，其最高反向工作电压对半波和全波整流电路来说是不相等的。在半波整流电路中，要考虑到最严重的情况是输出端开路，电容器上充有V2m，而v2处在负半周的幅值时，这时二极管承受了2V2的反向工作电压。它与无滤波电容时相比，增大了一倍。对于单相桥式整流电路而言，无论有无滤波电容，二极管的最高反向工作电压都是V2。关于滤波电容值的选取应视负载电流的大小而定。一般在几十微法到几千微法，电容器耐压值应大于输出电压的最大值。通常采用极性电容器。例4-3 需要一

24、单相桥式整流电容滤波电路，电路如图4-16所示。交流电源频率Hz，负载电阻RL=120，要求直流电压Vo=30V试选择整流元件及滤波电容。解：（1）选择整流二极管流过二极管的平均电流CvoRLv2图4-16 例4-3的图mA由VO = 1.2V2，所以交流电压有效值 可以选用的二极管4个。二极管承受的最高反向工作电压（2）选择滤波电容C 取 ，而，所以可以选用C = 500F，耐压值为50V的电解电容器。 2电感滤波电路在桥式整流电路和负载电阻间串入一个电感器L，如图4-17所示。利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波，从而得到比较平滑的直流。当忽略电感器L的电阻时，负载上输出的平均电压和纯

25、电阻(不加电感)负载相同，即 图4-17桥式整流电感滤波电路voRLv2L= 0.9 (4-12)电感滤波的特点是，整流管的导电角较大(电感L的反电势使整流管导电角增大)，峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是由于铁芯的存在，笨重、体积大，易引起电磁干扰。一般只适用于大电流的场合。3复式滤波器在滤波电容C之前一个电感L构成了LC滤波电路。如图4-18（a）所示。这样可使输出至负载RL上的电压的交流成分进一步降低。该电路适用于高频或负载电流较大并要求脉动很小的电子设备中。CC2RC2C1L第 I 条 CLC1为了进一步提高整流输出电压的平滑性，可以在LC滤波电路之前再并联一个滤波电容C1，如图

26、4-18（b）所示。这就构成了LC滤波电路。（a）LC型滤波器 （b）LC滤波器 （c）RC型滤波器 图 4-17 复式滤波电路由于带有铁芯的电感线圈体积大，价也高，因此常用电阻R来代替电感L构成RC滤波电路，如图4-18（c）所示。只要适当选择R和C2参数，在负载两端可以获得脉动极小的直流电压。在小功率电子设备中被广泛采用。4.4稳压管稳压电路R IZRLVoDZViD4IoIRCv2D1D3D2 v1图4-19 稳压管稳压电路经过整流和滤波后的电压往往会随交流电源的波动和负载的变化而变化。电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。特别是精密电子

27、测量仪器、自动控制、计算装置及晶闸管的触发电路等都要求有很稳定的直流电源供电。最简单的直流稳压电源是采用稳压管来稳定电压的。图4-19是一种稳压管稳压电路，经过桥式整流电路和电容滤波器滤波得到直流电压Vi，再经过限流电阻R和稳压管DZ组成的稳压电路接到负载电阻RL上。这样，负载上得到的就是一个比较稳定的电压。引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化。下面分析在这两种情况下稳压电路的作用。例如，当交流电源电压增加而使整流输出电压Vi随着增加时，负载电压Vo也要增加。Vo即为稳压管两端的反向电压。当负载电压Vo稍有增加时，稳压管的电流IZ就显著增加，因此电阻R上的压降增加，以抵偿V

28、i的增加，从而使负载电压Vo保持近似不变。相反，如果交流电源电压减低而使Vi减低时，负载电压Vo也要减低，因而稳压管的电流Iz就显著减小，电阻R上的压降也减小，仍然保持负载电压Vo保持近似不变。同理，如果当电源电压保持不变而是负载电流变化引起负载电压Vo改变时，上述稳压电路仍能起到稳压的作用。例如，当负载电流增大时，电阻R上的压降也增大，负载电压Vo因而下降。只要Vo下降一点，稳压管电流就显著减小，通过电阻R的电流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压Vo也就近似稳定不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。选择稳压管时，一般取： （4-13）例4-4 有一稳压管稳压电路，如图4-19所示。负载

29、电阻RL由开路变到3K，交流电压经整流滤波后得出Vi = 45（V）。今要求输出直流电压VO = 15（V），试选择稳压管DZ。解：根据输出直流电压VO = 15（V）的要求，由式(4-13)稳定电压 由输出电压VO = 15（v）及最小负载电阻RL = 3K的要求,负载电流最大值 由式(4-13)计算 mA查半导体器件手册，选择稳压管2CW20，其稳定电压VZ = (13.517) (V)，稳定电流mA， mA。例4-5图4-20所示电路中，已知VZ =12V, IZmax =18mA ，IZ=5mA ,负载电阻RL =2K，当输入电压由正常值发生20%的波动时，要求负载两端电压基本不变，试确定输入电压Vi的正常值和限流电阻R的数值。图4-20 例4-5IL IZ RL DZ IViRVL解:负载两端电压VL就是稳压管的端电压VZ，当Vi发生波动时，必然使限流电阻R上的压降和VZ发生变动，引起稳压管电流的变化，只要在IZmaxIZ范围内变动，可以认为V