电路基础与集成电子技术-电子教案与习题解答-蔡惟铮 第4章 半导体二极管和晶体管 4.3 半导体二极管

1、第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.3 半导体二极管 4.3.1 二极管的结构类型 4.3.2 二极管的伏安特性曲线 4.3.3 二极管的参数 4.3.4 二极管的模型 4.3.5 二极管的典型应用,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.3.1 二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图4.3.1所示。,4.3.1.1 点接触型二极管,(a)点接触型,图 4.3.1 二极管的结构示意图,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。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.3.1.2 面接触型二极管,(b)面接触型,图 4.3.1 二极管的结构示意图,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,(c)平面型,4.3.1.3 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,图 4.3.1 二极管的结构示意图,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.3.

2、2 二极管的伏安特性曲线,半导体二极管的伏安特性曲线如图4.3.2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。,图4.3.2 二极管的伏安特性曲线,4.3.2.1 正向特性,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图 4.3. 3 二极管伏安特性曲线的正向区,刚加入正向电压后，二极管有一个死区。 当正向电压达到开启电压Uth(on)之值后，正向电流开始比较明显地出现，此时正向特性曲线非线性较大。 当正向电流较大时，特性曲线也具有较好的线性度。,硅二极管和锗二极管的正向特性主要表现在开启电压不同，硅二极管的Uth(on)约为0.40.5V；锗二极管的Uth(on) 约为0.10.2V。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,硅二极管和锗二极管的反向特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流很小； 锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,从击穿机理上看， 当硅二极管|UBR|7V时,主要是雪崩击穿；当|UBR|4V时，则主要是齐纳击穿。当在4V7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。,图 4.3

3、. 4 伏安特性曲线的反向区,4.3.2.2 反向特性,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.3.3 二极管的参数,半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：,(1) 最大整流电流 IF 二极管长期连续工作时，在整流状态下的平均电流的最大值。,(2) 反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM 当二极管所加反向电压使反向电流急剧增加时，所对应的反向电压称为反向击穿电压UBR ；为安全计，在工作时，二极管所加的最大反向工作电压URM只有反向击穿电压的一半左右。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,(3) 反向电流IR 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,(4) 正向压降UF 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0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,(5) 动态电阻 rd 反映了二极管正向特性曲线斜率的倒

4、数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =UF /IF,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,二极管的动态电阻rd的求解,Q,Q,二极管的动态电阻属于交流参数，是二极管对它两端交流电压呈现出的电阻值。rd 可以用二极管伏安特性曲线斜率的倒数来表示，rd的大小和工作点Q有关。,图 4.3. 5 二极管的动态电阻,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,(6) 二极管的温度特性,当温度升高时，反向电流IR按指数规律增加，基本遵循温度每增加10， IR增加一倍的规律。,温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降UF(UD)大约减小2mV，具有负温度系数。,温度对反向击穿电压UBR的影响，当UBR的绝对值较大时， UBR 具有正温度系数，属于雪崩击穿。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图 4.3.6 温度对二极管伏安特性曲线的影响,负温度系数,正温度系数,反向饱和 电流加大,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.3.4 二极管的模型,1. 开关模型,2. 固定正向电压降模型,二极管正向压降为0,电阻为0；反向截止时，反向电阻为无穷大，

5、反向电流为0。,考虑正向压降，但认为是一固定值，硅管的正向压降UD为0.7V，锗管的正向压降UD为0.3V。,图4.3.5 二极管的低频模型,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,3. 折线化模型,既考虑二极管正向压降，又考虑正向电阻rD。利用这一模型可以计算外加信号变化时二极管管压降或电流的变化。,在该模型中，将二极管 的开启电压等效为电压源Uth和电阻rD的串联。,rD与动态电阻rd不同， rD如下：,图4.3.5 二极管的低频模型,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4. 低频交流小信号模型,当计算在Q点附近电流或电压的变化量，要使用二极管的低频交流小信号模型。模型中rd为动态电阻，rd，可用下式计算,显然，动态电阻rd与二极管的正向电阻rD不同。,图4.3.6 二极管的交流小信号模型,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.3.5 二极管的典型应用 4.3.5.1 单相半波整流电路,二极管的一项重要应用就是整流，整流电路的作用是将正弦交流电转化成单相脉动电。单相半波整流电路和波形图见图4.3.7。,图4.3.7 单相整流电路和波形图,(a) 电路图

6、(b) 波形图,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,在整流电路中，二极管采用开关模型:当二极管反偏时截止，电流等于0，其两端电压等于-U2;当二极管正偏时饱和导通，其两端电压等于0。,在U2的正半周，二极管导通，有电流流过负载，输出电压 uo=u2,在U2的负半周，二极管截止，没有电流流过负载，输出电压 uo=0V,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,U2正半周，VD导通，有半波脉动电流流过负载,U2的负半周，VD截止， 没有电流流过负载,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,单相桥式整流电路利用变压器的一个绕组和四个二极管获得全波整流的输出效果，因为在电路中采用了四个整流二极管，搭接成桥式结构，所以称为单相桥式整流电路。,图4.3.8 单相桥式整流电路,单相桥式整流电路它只有一个变压器副边绕组，以及四个二极管 接成桥形构成 。,4.3.5.2 单相半波桥式整流电路,1. 电路结构,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,在交流输入电压u2的正半周内，整流二极管VD1、VD3导通， VD2、VD2截止。电流流向如图4.3.8所示，在负载上产生“上正下负

7、”的输出脉动电压。,2. 输入电压为正半周时,图4.3.8 单相全波桥式整流电路,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,在交流输入电压u2的负半周内，整流二极管VD2、VD4导通， VD1、VD3截止。电流流向如4.3.8图所示，在负载上产生“上正下负”的输出脉动电压。,3. 输入电压为负半周时,负载在正、负半周均有同方向的输出脉动电压。,图4.3.8 单相全波桥式整流电路,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4. 桥式整流电路的波形分析,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,5. 输出电压的平均值,由桥式整流电路输出电压波形图可知，其输出电压平均值UO(AV)也是半波整流时的两倍,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,例4.2：用试分析图4.3.9电路，计算调节电位器的输出端对地的电压范围。,图4.3.9 例4.2电路图,解： 两个二极管正偏工作，a、b二点间的电压约为1.4V。330的电位器跨接在a、b二点之间，a点是+0.7V，b点是-0.7V。Uo对地电压的调节范围近似为-0.7V+0.7V，电位器的中点是0V。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,例4.3：在图4.3.10所示的硅二极管电路中，输入交流信号的有效值Ui=6mV，问输出交流电压的有效值Uo=？。设电容器的容量足够大，对交流信号的压降可忽略不计，可视为短路。,图4.3.10 例4.3电路图,解：,本例电路中既有直流信号又有交流信号。应分直流、 交流两种情况分析。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,直流分析时只考虑直流电压源的作用，此时电容相当于开 路，则可以得到图4.3.11(a)所示的直流通路。用二极管的固定 正向压降模型很容易得到：,图4.3.11(a) 图4.3.10的直流通路,第4章 半导体二极管

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