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文檔簡介

1、第三節(jié) 半導(dǎo)體二極管 1 、二極管的結(jié)構(gòu)與類型 半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)的不同,可分為點(diǎn)接觸型、 面接觸型和平面型三種。 常見二極管的結(jié)構(gòu)、 外 形和電路符號如圖1-11所示。 二極管的兩極分別 叫做正極或陽極(P區(qū)), 負(fù)極或陰極(N區(qū))。 圖1-11 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、 外形與電路符號 (a) 點(diǎn)接觸型; (b) 面接觸型; (c) 平面型; (d) 電路符號; (e) 常見二極管的外形 2、二極管的伏安特性曲線與近似模型 2.1 伏安特性曲線 二極管的伏安特性也就是PN結(jié)的伏安特性。 把 二極管的電流隨外加偏置電壓的變化規(guī)律, 稱為二極 管的伏安特性, 以曲線的形式描繪出來, 就是伏安特

2、性曲線。 二極管的伏安特性曲線如圖1-12所示, 下面 分三部分對二極管的伏安特性曲線進(jìn)行分析。 圖1-12 二極管的伏安特性 1) 正向特性外加正偏電壓UF 當(dāng)UF0時, IF0, PN結(jié)處于平衡狀態(tài), 即圖1-12 中的坐標(biāo)原點(diǎn)。 當(dāng)UF開始增加時, 即正向特性的起始 部分。 由于此時UF較小, 外電場還不足以克服PN結(jié) 的內(nèi)電場, 正向擴(kuò)散電流仍幾乎為零,這部分工作區(qū) 域稱為死區(qū),相應(yīng)的電壓成為門坎電壓或死區(qū)電壓。 只有當(dāng)UF大于死區(qū)電壓(鍺管約0.1 V, 硅管約0.5 V) 后, 外加電場才足以克服內(nèi)電場, 使擴(kuò)散運(yùn)動迅速增 加, 才開始產(chǎn)生大的正向電流IF。 2) 反向特性外加反向

3、偏壓UR 當(dāng)外加反向偏壓時, 宏觀電流是由少子組成的 反向漂移電流。 當(dāng)反向電壓UR在一定范圍內(nèi)變化時, 反向電流IR幾乎不變, 所以又稱為反向飽和電流IS。 當(dāng)溫度升高時, 少子數(shù)目增加, 所以IS增加。 室溫下 一般硅管的反向飽和電流小于1 A, 鍺管為幾十到幾 百微安, 如圖中B段所示。 3) 反向擊穿特性 反向擊穿特性屬于反向特性的特殊部分。 當(dāng)UR繼 續(xù)增大, 并超過某一特定電壓值時, 反向電流將急劇 增大, 這種現(xiàn)象稱之為擊穿。 發(fā)生擊穿時的UR叫擊穿 電壓UBR, 如圖1-12中C段所示。 如果PN結(jié)擊穿時的反向電流過大(比如沒有串接 限流電阻等原因), 使PN結(jié)的溫度超過PN結(jié)

4、的允許 結(jié)溫(硅PN結(jié)約為150200 , 鍺PN結(jié)約為75 100 )時, PN結(jié)將因過熱而損壞。 所謂理想,認(rèn)為正偏二極管 的管壓降為0 V,忽略模型就 是將二極管的單向?qū)щ娞匦岳?想化其0.7 V或0.3 V的導(dǎo)通電 壓,相當(dāng)于短路導(dǎo)線; 而當(dāng) 二極管處于反偏狀態(tài)時,認(rèn)為 二極管的等效電阻為無窮大, 反向電流為0, 如右圖的伏安 特性曲線所示。應(yīng)用條件:和 它串聯(lián)的電壓遠(yuǎn)大于二極管的 導(dǎo)通壓降時,反向電流遠(yuǎn)小于 和它并聯(lián)的電流。 利用理想 模型來分析,不會產(chǎn)生較大的 誤差。 iD uD (c ) 12 U D(on) U U D(on) U U D(on) (d ) 12 U 0U 0

5、特性曲線 等效電路 2.2 二極管的近似模型 1)理想模型 恒壓降模型的伏安特性曲線如右 圖所示,其反偏模型還是理想的, 其特性是:只有當(dāng)正向電壓超過 導(dǎo)通電壓時,二極管才導(dǎo)通,導(dǎo) 通后的管壓降是一個恒定值,對 于硅管和鍺管來說,分別取0.7 V和0.3 V的典型值。否則就不導(dǎo) 通,電流為零。這個模型比理想 模型更接近實(shí)際情況, 因此應(yīng) 用比較廣泛, 一般在二極管電 流大于1 mA時,恒壓降模型的 近似精度還是相當(dāng)高的。 UD(on) uD iD (c) 12 U D(on) U U D(on) U U D(on) (d) 12 U 0U 0 特性曲線 等效電路 2)恒壓降模型 為了得到更好的

6、近 似效果,可用折線 來表示二極管的特 性曲線,其特性曲 線和等效電路如右 圖所示。圖中rD(on) =U/I為等效電 阻。 這種等效電路在信 號變化范圍比較大 時,與實(shí)際特性的 近似程度更好。 u i 0CUD(on) BB0 A1 A2 (a)(b) 12 UD(on) rD(on) UUD(on)U UD(on) 特性曲線 等效電路 3)折線等效電路)折線等效電路 3 二極管的主要參數(shù) 為了正確選用及判斷二極管的好壞, 必須對其主要 參數(shù)有所了解。 1) 最大整流電流IF 指二極管在一定溫度下, 長期允許通過的最大正向 平均電流, 否則會使二極管因過熱而損壞。 另外, 對于大功率二極管,

7、 必須加裝散熱裝置。 2) 反向擊穿電壓UBR 管子反向擊穿時的電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。 一 般手冊上給出的最高反向工作電壓URM約為反向擊穿電 壓的一半, 以保證二極管正常工作的余量。 3)、最大反向工作電壓URM URM指二極管工作時所允許加的最大反向電壓,通常取反向擊穿 電壓UBR的一半作為URM 。超過此值不一定發(fā)生反向擊穿,但長 期穩(wěn)定工作的可靠性降低。 4)反向電流IR(反向飽和電流IS) 指在室溫和規(guī)定的反向工作電壓下(管子未擊穿時)的反向電流。 這個值越小, 則管子的單向?qū)щ娦跃驮胶谩?它隨溫度的增加而 按指數(shù)上升。 5)結(jié)電容與最高工作頻率fM PN結(jié)加電壓后, 其空間

8、電荷區(qū)會發(fā)生變化, 這種變化造成的電 容效應(yīng)稱為結(jié)電容。工作頻率超過fM時,二極管的單向?qū)щ娦阅?變壞。因?yàn)榻涣餍盘柨梢杂山Y(jié)電容效應(yīng)而順利通過二極管。 6 二極管的溫度特性 半導(dǎo)體具有熱敏性, 而電子電路又不可避免地要受到 外界溫度及電路本身發(fā)熱的影響。 所以, 溫度變化容 易造成半導(dǎo)體器件工作不穩(wěn)定, 研究溫度對半導(dǎo)體器 件的影響是十分必要的。 一組實(shí)測二極管的正向特性(圖1-14所示), 對于同 一電流, 溫度每升高1 , 二極管的正向壓降將減小 22.5 mV。 即二極管的正向特性曲線將隨溫度的升 高而左移。 溫度對二極管的反向特性影響更大: 當(dāng)溫 度每升高10 , 反向飽和電流IS將增

9、加一倍。 二極管 的反向擊穿電壓也受溫度的影響。 圖1-14 溫度對二極管伏安特性的影響 4 二極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用 二極管在電子技術(shù)中廣泛地應(yīng)用于整流、 限幅、 鉗位、 開 關(guān)、 穩(wěn)壓、 檢波等方面, 大多是利用其正偏導(dǎo)通、 反偏截止的 特點(diǎn)。 1)整流應(yīng)用 利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢园汛笮『头较蚨甲兓恼医?流電變?yōu)閱蜗蛎}動的直流電, 如圖1-15所示。一個簡單的二極管 半波整流電路115(a)所示。若二極管為理想二極管,當(dāng)輸入一 正弦波時,由圖可知:正半周時,二極管導(dǎo)通(相當(dāng)開關(guān)閉合), uo=ui;負(fù)半周時,二極管截止(相當(dāng)開關(guān)打開), uo =0。其輸入、 輸出波形見圖115(b

10、)。整流電路可用于信號檢測,也是直流電 源的一個組成部分。 這種方法簡單、 經(jīng)濟(jì), 在日常生活及電子電路中經(jīng)常采用。 根據(jù)這個原理, 還可以構(gòu)成整流效果更好的單相全波、 單相橋 式等整流電路。 圖1-15 二極管的整流應(yīng)用 (a) 二極管整流電路; (b) 輸入與輸出波形 2)限幅應(yīng)用 限幅電路是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路, 常用于波形變換和整形。常見的限幅電路是利用二極管的單向?qū)?電性, 將輸入電壓限定在要求的范圍之內(nèi)。 圖1-16(a)所示的雙向限幅電路中, 交流輸入電壓ui和直 流電壓E1都對二極管VD1起作用; 相應(yīng)的VD2也同時受ui和E2的控 制。 在假設(shè)VD1、 V

11、D2為理想二極管時, 有如下限幅過程發(fā)生: 當(dāng)輸入電壓ui3 V時, VD1導(dǎo)通, VD2截止, uo3 V; 當(dāng)ui-3 V時, VD2導(dǎo)通, VD1截止, uo3 V; 當(dāng)ui在3 V與+3 V之間 時, VD1和VD2均截止, 因此uoui, 輸出波形如圖1-16(b)所 示。 圖1-16 二極管的限幅應(yīng)用 (a) 雙向限幅電路; (b) 輸入與輸出波形 3)穩(wěn)壓應(yīng)用 有一種二極管, 專門用來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出,稱 為穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后具 有穩(wěn)壓特性制作的二極管,其除了可以構(gòu)成限幅電路 之外,主要用于穩(wěn)壓電路。 一、穩(wěn)壓二極管的特性 穩(wěn)壓二極管的電路符號及伏安特性

12、曲線如圖 117所示。由圖可見,它的正、反向特性與普通二極 管基本相同。區(qū)別僅在于擊穿后,特性曲線更加陡峭, 即電流在很大范圍內(nèi)變化時(IZminIIZm),其兩端電壓 UZ幾乎不變。 圖1-17 穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與電路符號 (a) 伏安特性曲線; (b) 電路符號 二 穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 1) 穩(wěn)定電壓UZ UZ就是穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓, 它的大小取決于制 造時的摻雜濃度。 2) 最小穩(wěn)定電流IZmin 穩(wěn)壓管正常工作時的最小電流值定義為最小穩(wěn)定電 流, 記為IZmin, 一般在幾毫安以上。 穩(wěn)壓管正常工作 時的電流應(yīng)大于IZmin, 以保證穩(wěn)壓效果。 3) 最大穩(wěn)定電流IZmax和最

13、大耗散功率PZM 穩(wěn)壓管允許流過的最大電流和最大功耗叫做最大穩(wěn)定 電流IZmax和最大耗散功率PZM。 通過管子的電流太大, 會使管子內(nèi)部的功耗增大, 結(jié)溫上升而燒壞管子, 所 以穩(wěn)壓管正常工作時的電流和功耗不應(yīng)超過這兩個極 限參數(shù)。 一般有 PZM=UZIZmax (1-5) 4) 動態(tài)電阻rz 穩(wěn)壓管反向擊穿時的動態(tài)電阻, 定義為電流變化量 IZ引起的穩(wěn)定電壓變化量UZ。 2 I U r Z z (1-6) 動態(tài)電阻是反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓性能好壞的重要參 數(shù), rz越小, 反向擊穿區(qū)曲線越陡, 穩(wěn)壓效果就越好。 5) 穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K 穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K定義為溫度變化1 引起

14、的穩(wěn)定電壓UZ的相對變化量, 即 K是反映穩(wěn)定電壓值受溫度影響的參數(shù),用單位 溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量表示。通常, UZ 7V時具有正溫度系數(shù)(因雪崩擊穿具有正溫系數(shù)); 而UZ在5V到7V之間時,溫度系數(shù)可達(dá)最小。 )/(% / C T UU K ZZ (1-7) 三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路如圖118所示。圖中Ui 為有波動的輸入電壓,并滿足Ui UZ。R為限流電阻, RL為負(fù)載。 V Z Ui Uo R RL ILIZ 圖圖118 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 下面來說明限流電阻R的選擇方法。由圖118可知, 當(dāng)Ui, RL變化時,IZ應(yīng)始終滿足Izmin I

15、ZRmax的結(jié)果,則說明在給定條件下,已超 出了穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓工作范圍。這時,需要改變使用條 件或重新選擇大的電流容量的穩(wěn)壓二極管,以滿足Rmin VR時,二極管導(dǎo)通,vo=vi。 Vi 3.6V時,二極管導(dǎo)通,vo=3.6V。 ViV1時,D1導(dǎo)通、D2截止,Vo=V1。 ViV2時,D2導(dǎo)通、D1截止,Vo=V2。 V2ViV1時,D1、D2均截止,Vo=Vi。 例9:畫出理想二極管電路的傳輸特性(VoVI)。 解: VI25V ,D1導(dǎo)通,D2截止。 3 25 3 2 IO VV VI137.5V,D1、D2 均導(dǎo)通。 VO=25V 25 300 200)25( I O V V VO=10

16、0V VI 25V 75V 100V 25V50V100V125V VO 50V 75V150V0 137.5 例10:畫出理想二極管電路的傳輸特性(VoVI)。 當(dāng)VI0時 D1截止 D2導(dǎo)通 IO VV 2 1 0 VI VO - - 5V +5V +5V - - 5V +2.5V - -2.5V 例11:已知二極管D的正向?qū)ü軌航礦D=0.6V,C為隔直電容,vi(t)為 小信號交流信號源。 試求二極管的靜態(tài)工作電流IDQ,以及二極管的直流導(dǎo)通電阻R直。 1.求在室溫300K時,D的小信號交流等效電阻r交 。 C R 1K E 1.5V + VD + vi(t) mA K V I D DQ 9 . 0

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