半导体二极管ppt课件.ppt

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1、西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-21构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) )符号：符号：A ( (anode) )C ( (cathode) )分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型1.3 1.3 半导体二极管半导体二极管1.3.1 1.3.1 半导体二极管的结构及分类半导体二极管的结构及分类西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-22(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结面积小，结电容小，用于检波结电容小，用于检波和变频等高频电

2、路。和变频等高频电路。点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-23(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-24正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型pNP型支持衬底型支持衬底(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电往往用于集成电路制造艺中。路制造艺中。PN

3、 结面结面积可大可小，用于高积可大可小，用于高频整流和开关电路中。频整流和开关电路中。西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-251)二极管二极管的伏安方程的伏安方程)1e (/SDD TUuIi反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300( (27 C) )：UT = 26 mV1.3.2 1.3.2 二极管的特性二极管的特性西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-262) 二极管的伏安特性二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth = 0.5 V 0

4、.1 V( (硅管硅管) )( (锗管锗管) )U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU (BR)反向击穿反向击穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) 几十几十 A ( (锗锗) )U UN二极管导通二极管导通等效为等效为0.7 V 的恒压源的恒压源 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 1

5、2) / 1 = 2.3 (mA)I1= IO + I2= 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)VDD1VDD2UORLR1k 3k IOI1I215V12VPN西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2283. 二极管构成二极管构成“门门”电路，设电路，设V1、V2均为理想均为理想二极管，当输入电压二极管，当输入电压UA、UB为低电压为低电压0V和高电压和高电压5V的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压UO的值。的值。UAUBUOR3k 12VVDDV1V2BAY输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBV1V20V0V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0V

6、0V5V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0V5V0V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0V5V5V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5V西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2294. 画出硅二极管构成的桥式整流电路在画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui =15 sin t (V)作用下输出作用下输出 uO的波形。的波形。(按理想模型按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/ V15Otui / V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2305. ui = 2 sin t (V), 分析二极管的限幅作用。分析二极管

7、的限幅作用。ui 较小，宜采用恒压降模型较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuORui 0.7VV1、V2均截止均截止uO uiuO 0.7Vui 0.7VV2导通导通V截止截止ui 0.7VV1导通导通V2截止截止uO 0.7V思考题思考题:V1、V2支路各串联恒压源，支路各串联恒压源，输出波形如何？输出波形如何？OtuO/ V0.7Otui / V2 0.7西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-231VDDuDRuD= VDD iDRiD = f (uD) 1.2V100 iD / mA128400.30.6uD / V1.20.9MN直流负载线直流负载线斜率斜率 1/R静态工作点静态

8、工作点也可取也可取 UQ = 0.7VIQ= (VDD UQ) / R = 5 (mA) 二极管直流电阻二极管直流电阻 RD 140)k( 14. 05/7 . 0QQDIUR斜率斜率1/RDiDQIQUQ1.3.5 1.3.5 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法1）二极管电路的直流图解分析）二极管电路的直流图解分析 西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-232电路中含直流和小信号交流电源时电路中含直流和小信号交流电源时, ,二极管中二极管中含交、直流含交、直流成分成分VDDuiuDRCiDC 隔直流隔直流 通交流通交流当当 ui = 0 时时iD = IQUQ= 0.7V (硅硅

9、)，0.2V (锗锗)RUVIQDDQ 设设 ui = sin tiD / mAuD /VOVDDVDD/ RQIQ tOuiUQiD / mA tOdQDiIi dQDuUu id斜率斜率1/rDQdudirDDd1 )1(/SDD TUueIiTUUTUIeUIrTQSdQ1 rd = UT / IQ= 26 mV / IQ当当 ui 幅度较小时，幅度较小时，二极管伏安特性在二极管伏安特性在Q点附近近似为直线点附近近似为直线2）交流图解法）交流图解法西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-233对于交流信号对于交流信号电路可等效为电路可等效为例例1.3.6 ui = 5sin t (m

10、V)，VDD= 4 V，R = 1 k ，求求 iD和和uD解解1. 静态分析静态分析 令令 ui = 0, 取取 UQ 0.7 VIQ= (VDD UQ) / R = 3.3 mA2. 动态分析动态分析rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 ( )Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA),id = 0.625 sin t3. 总电压、电流总电压、电流dQDuUu dQDiIi = (0.7 + 0.005 sin t ) V= (3.3 + 0.625 sin t ) mAVDDuiuDRCiDuiudRidrd3）微变等效电路分析法）微变等效电路分析法西安电子

11、科技大学计算机学院吴自力 2012-2341.3.6 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。伏安特性伏安特性iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ应用电路应用电路+UZ电路符号电路符号1 1）原理）原理利用利用PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性（雪崩击穿（雪崩击穿和和齐纳击穿）齐纳击穿）西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-235 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

12、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 /IZ2 2）稳压二极管的参数）稳压二极管的参数西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-236 (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。西安电子科技大学计算机学院吴自力

13、2012-237%100ZZTV TUUC(5)稳定电压温度系数温度的变化将使温度的变化将使VZ改变改变温度的变化将使温度的变化将使V VZ Z改变，在稳压管中：改变，在稳压管中：当当 V VZ Z 7 V7 V时，时，V VZ Z具有具有正温度系数正温度系数，反向击，反向击穿是穿是雪崩击穿雪崩击穿。 当当 V VZ Z 4 V4 V时，时， V VZ Z具有具有负温度系数负温度系数，反向击，反向击穿是穿是齐纳击穿齐纳击穿。当当4 V4 V V VZ Z 7 V7 V时，稳压管可以获得接近时，稳压管可以获得接近零零的温度系数的温度系数。这样的稳压二极管可以作为。这样的稳压二极管可以作为标准稳标

14、准稳压管压管使用。使用。西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-238 稳压二极管在工作时应反接，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。西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2393 3）几种稳压管的参数）几种稳压管的参数 参数型号稳定电压稳定电压 V稳定电流 mA温度系数温度系数%/度度动态电阻动态电阻 最大稳定最大稳定电流电流 mA耗散功率耗散功率 W2CW146 75100.0615330.252CW2013.5 1750.09550150.25

15、2CW7C6.1-6.5100.00510300.25 由表可以看出2CW7C的性能比较好。温度系数小。其结构如下：正向二极管正向二极管 稳压管稳压管温度补尝温度补尝西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2404 4）简单稳压电路的工作原理，）简单稳压电路的工作原理，R R为限流电阻。为限流电阻。IR = IZ + ILUO= UI IR R当当UI 波动时波动时(RL不变不变) ORZOL UIIUR IU OU ZI RI OU反之亦然反之亦然当当 RL 变化时（变化时（ UI 不变）不变）反之亦然反之亦然UIUORRLILIRIZ西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-241负

16、载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发生生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。5 5）稳压二极管的应用举例）稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数稳压管的技术参数: k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-242令输入

17、电压降到下限令输入电压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-243国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：1) 1) 半导体器件型号命名方法半导体器件型号命名方法西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2442) 2) 半导体二极管的识别与检测半导体二极管的识别与检测(1) 目测判别极性目测判别极性触丝触丝半导体片半导体片西安电子科技大学计算机学院吴自力

18、 2012-245(2) 用万用表检测二极管用万用表检测二极管在在 R 1k 挡进行测量，挡进行测量，红红表笔是表笔是(表内表内)负极负极 , 黑黑表笔是表笔是(表内表内)正极正极测量时手不要接触引脚测量时手不要接触引脚1. 用万用表指针式检测用万用表指针式检测 1k 0 0 0一般硅管正向电阻为几千欧一般硅管正向电阻为几千欧锗管正向电阻为几百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相差不大为劣质管正反电阻都是无穷大或零正反电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路则二极管内部断路或短路西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-246 二极管的运用基础运用基础, 就是二极管的单向

19、单向导电特性导电特性。 在应用电路中, 关键是判断二极关键是判断二极管的导通或截止管的导通或截止。u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。u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。西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-247ER+U1-+UO-UI UI E+0.7vE+0.7v UI E+0.7vUO =E0tUiE0tUO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当输入信号电压在一定范围内变化时, 输出电压随输出电压随输入电压相应变化；输入电压相应变化； 而而当输入电压超出

20、该范围时当输入电压超出该范围时, 输出输出电压保持不变电压保持不变, 这就是限幅电路。这就是限幅电路。 1) 1) 限幅电路限幅电路限幅电路的作用是限幅电路的作用是限制输入限制输入/输出信号幅度的大小输出信号幅度的大小。电路如下：电路如下：西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-248ER+U1-+UO-UI UI E+0.7vE +0.7v UI E+0.7vUO =E0tUiE0tUO把输出幅度限在电平把输出幅度限在电平E+0.7v内内输出电压小于E+0.7V 通常将输出电压通常将输出电压Uo开始不变的电压值称为开始不变的电压值称为限幅电平限幅电平,改变改变值就可改变限幅电平。值就可改

21、变限幅电平。 当输入电压高于限幅电平时当输入电压高于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅输出电压保持不变的限幅称为称为上限幅上限幅；当输入电压低于限幅电平时当输入电压低于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅输出电压保持不变的限幅称为称为下限幅下限幅。 西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-249VDuiuoRE(1). 并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路V, 限幅电平为限幅电平为V。图（。图（a）u时二极管导通时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止二极管截止, uou。西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-250VDuiuoRE并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路

22、Um, 则限幅电平为则限幅电平为。图（。图（b）u, 二极管截止二极管截止, uou；u, 二极管导通二极管导通, uo。西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-251并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路m, 则限幅电平为则限幅电平为-E, 。 图（图（c）u , 二极管导通二极管导通, uo ；u , 二极管截止二极管截止, uou。VDuiuoRE西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-252 tuiO(b)Euo tOE tui(a)UmuoO tUmO tuiO(c)EuoEO tV, 限幅电平为限幅电平为V。u时二极管导通时二极管导通, uoV； uiV, 二极管截止二极

23、管截止, uou。图（。图（a）Um, 则限幅电平为则限幅电平为。u, 二极管截止二极管截止, uou；u, 二极管导通二极管导通, uo。图（图（b）m, 则限幅电平为则限幅电平为-E, 。 图（图（c） 西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-253VDuiuoER（2） 并联下限幅电路并联下限幅电路 将并联上限幅电路中的二极管将并联上限幅电路中的二极管反接反接，将构成，将构成并联并联下限幅下限幅电路电路 VDuiuoRE并联下限幅电路并联下限幅电路 并联上限幅电路并联上限幅电路 西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-254（3） 串联下限幅电路串联下限幅电路电路如图所示。因为二

24、极管电路如图所示。因为二极管VD与负载电阻与负载电阻RL串联，故称串联，故称为串联限幅电路。为串联限幅电路。a）电路图）电路图 b）波形图）波形图图图 二极管串联下限幅电路二极管串联下限幅电路时当时，当onioonionioUuuUuUuu0uo的波形如图（的波形如图（b）所示。）所示。设输入信号设输入信号ui为正弦波。则为正弦波。则西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-255VDuiuoR(a)上限幅EVDuiuoR(b)下限幅E（4） 串联限幅电路串联限幅电路西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-256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

25、所示。（5） 双向限幅电路双向限幅电路 a）电路图）电路图 b）波形图）波形图图图 二极管双向限幅电路二极管双向限幅电路设输入信号设输入信号ui为为正弦波。则正弦波。则时当时，当时，当onionioonionoonionoUuUuuUuUuUuUuuo的波形如图（的波形如图（b）所示。）所示。西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2572 2）二极管门电路）二极管门电路 UAUoVD1RUCCVD2VD3UBUC图 1 - 23 二极管“与”门电路 西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2581 1）发光二极管）发光二极管 LED(Light Emitting Diode)LED(

26、Light Emitting Diode)1. 符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正偏正偏一般工作电流几十一般工作电流几十mA， 导通电压导通电压1 2V2. 主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM , U（BR） , IR光学参数：光学参数：峰值波长峰值波长 P，亮度亮度 L，光通量光通量 发光类型：发光类型： 可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型： 普通普通LED ，不可见光：不可见光：红外光红外光，点阵，点阵LED符号符号u /Vi /mAO2特性特性七段七段LED西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-259 材料和结构材料和结构：发光二极管由砷化镓、

27、磷化镓等：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于半导体材料组成。由于电子空穴的复合电子空穴的复合产生发产生发光能量。是一种光能量。是一种电变成光电变成光的能量转换器件。的能量转换器件。 电路中常用做指示或显示及光信息传送。电路中常用做指示或显示及光信息传送。单个发光单个发光二极管二极管七段显示发光二极管七段显示发光二极管西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-260西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-261发光二极管的主要特性颜色波长（nm）基本材料正向电压（10mA时）V光强（10mA时，时，张角张角4545）（mcd）光功率（WW）红外900砷化镓1.31.51005

28、00红655磷砷化镓1.61.80.4112鲜红635磷砷化镓2.02.224510黄583磷砷化镓2.02.21338绿565磷化镓2.22.40.511.58西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-262补充：补充：选择二极管限流电阻选择二极管限流电阻步骤：步骤：1. 设定工作电压（如设定工作电压（如0.7 V; 2 V (LED); UZ）2. 确定工作电流（如确定工作电流（如1 mA; 10 mA; 5 mA）3. 根据欧姆定律求电阻根据欧姆定律求电阻 R =（UI UV）/ IV（R要选择标称值）要选择标称值）RUIUVIV西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2632 2

29、）光敏二极管）光敏二极管1符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E = 200 lxE = 400 lx工作条件：工作条件：反反偏偏 半导体半导体PN结结共价键中的电子共价键中的电子在光子的轰击下，在光子的轰击下，很容易很容易脱离共价键脱离共价键而成为而成为自由电子（本征激发）自由电子（本征激发）。因此可以用因此可以用PN结构成光敏二极管。结构成光敏二极管。 光敏二极管的光敏二极管的反向电流与光照度成正比反向电流与光照度成正比。用感。用感光灵敏度来衡量。典型值为：光灵敏度来衡量。典型值为：0.1A/Lx西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-264UOR+-2. 主要参数主

30、要参数电学参数：电学参数：光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围3. 应用电路应用电路西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-265发射发射相干单色光相干单色光的特殊发光二极管。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。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发射红外线红外线的特殊发光二极管。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。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：发光二极管的应用示例：西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2665 5） 光电耦合器件光电耦合器件 输入输出图 1 - 26 光电耦合器件 西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012-2676 6） 变容二极管变容二极管 图 1 - 27 变容二极管符号