秋低頻電子線路常用半導體器件原理

《低頻電子線路》

(4)山東大學信息科學與工程學院

劉志軍12/12/20231.回顧上節(jié)課4.2PN結(jié)PN結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)電阻特性和電容特性PN結(jié)擊穿特性PN結(jié)溫度特性12/12/20232.本節(jié)課內(nèi)容4.3晶體二極管及其基本電路4.3.1二極管特性曲線4.3.2二極管主要參數(shù)＊4.3.3晶體二極管模型4.3.4二極管基本應用電路4.3.5穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路4.3.6其它二極管簡介＊12/12/20233.4.3晶體二極管及其基本電路

二極管是最基本、最簡單的半導體器件。二極管可以組成各種各樣的電路形式。二極管電路應用十分廣泛。12/12/20234.

二極管工藝與類型⑴結(jié)構(gòu)和符號二極管是由管芯(PN結(jié))加電極引線和管殼制成。結(jié)構(gòu)示意和電路符號如下圖所示：

12/12/20235.⑵工藝與類型根據(jù)制作工藝(Facturetechnics)不同分為：

平面型二極管：適合整流，低頻應用(結(jié)電容大)

面接觸型二極管：適合整流，低頻應用(結(jié)電容大)點接觸型二極管：適合檢波，可高頻應用(結(jié)電容小)12/12/20236.二極管工藝類型（圖）

12/12/20237.4.3.1二極管特性曲線特性曲線(CharacteristicCurve)是描述器件性能的圖形表示。二極管特性曲線與PN結(jié)特性曲線基本相同（略有區(qū)別）。正向電流有體電阻和引線接觸電阻作用。反向電流有表面漏電流的影響。12/12/20238.二極管特性曲線（圖）特性曲線與PN結(jié)特性相似圖二極管伏安特性曲線12/12/20239.二極管特性曲線正向特性(DirectionCharacteristic)導通電壓(閾值電壓、死區(qū)電壓)UD(ON)(室溫下)Si管，UD(ON)=（0.5~0.7）VGe管UD(ON)=（0.1~0.3）V反向特性(ReverseCharacteristic)Si管，一般小于0.1A。

Ge管，一般小于幾mA。12/12/202310.4.3.2二極管主要參數(shù)＊最大整流電流IF最大反向工作電壓UR反向電流IR最高工作頻率fm直流電阻RD和交流電阻rd12/12/202311.①最大整流電流IFIF是指管子穩(wěn)定工作時，所允許通過的最大正向平均電流。使用時不應超過此值（可加散熱片）。12/12/202312.②最大反向工作電壓URMURM指工作時允許所加最大反向電壓。通常取擊穿電壓U(BR)的1/2做為UR。12/12/202313.

③反向電流IRIR是指擊穿前的反向電流值。此值越小表示管子單向?qū)щ娦阅茉胶?。與IS有關(guān)（再加上表面漏電流），故與溫度有關(guān)。12/12/202314.

④最高工作頻率fm當工作頻率超過fm，管子的工作性能（頻率特性）變壞。fm越大頻率特性越好。fm是由管子的結(jié)電容所決定的，fm大說明管子結(jié)電容小。12/12/202315.

⑤直流電阻和交流電阻直流電阻RD(DCResistance)是二極管Q點處所加直流電壓UD與所流過直流電流ID之比。其幾何意義是直線斜率的倒數(shù)。交流電阻rd(ACResistance)是其工作狀態(tài)(U，I)處電壓改變量△U與電流改變量△I之比。幾何意義是曲線Q點處切線斜率的倒數(shù)。12/12/202316.二極管電阻的幾何意義（圖）

圖二極管電阻的幾何意義(a)直流電阻RD；(b)交流電阻rD12/12/202317.4.3.3二極管模型(Model)對電子線路進行分析(定量分析)時，電路中的實際器件必須用相應的電路模型（公式、圖形、表格）來等效表示，這稱為“數(shù)學建?！?，簡稱“建模”。計算機輔助分析(CAA)計算要使用管子的數(shù)學模型。

12/12/202318.二極管電路模型(折線化)（圖）圖二極管特性的折線近似及電路模型12/12/202319.二極管電路簡化模型（圖）

(a)(c)(b)12/12/202320.二極管近似模型（圖）以上三種電路模型(近似、簡化、理想)均為二極管近似模型(線形化)。對不同電路模型可在不同需求時采用。

12/12/202321.4.3.4二極管基本應用電路二極管在低頻和高頻以及數(shù)字電路均有廣泛的應用。以下主要介紹幾種基本應用。12/12/202322.二極管幾種基本應用整流電路限幅電路電平選擇電路12/12/202323.①二極管整流電路把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡Q為“整流”；反之稱為“逆變”。整流交流電直流電逆變

12/12/202324.二極管半波整流電路及波形（圖）

圖二極管半波整流電路及波形(a)電路；(b)輸入、輸出波形關(guān)系改變電路及二極管的接入方式，可得到不同的輸出波形。12/12/202325.常見整流電路半波整流全波整流橋式整流倍壓整流12/12/202326.②二極管限幅電路限幅電路又稱為“削波電路”，能夠把輸入電壓變化范圍加以限制，常用于波形變換和整形。限幅電路的傳輸特性(指信號輸出和輸入的關(guān)系)。12/12/202327.限幅概念單向限幅門限電壓雙向限幅上門限下門限12/12/202328.限幅電路傳輸特性（圖）圖限幅電路的傳輸特性12/12/202329.二極管限幅電路及波形（圖）

圖二極管上限幅電路及波形(a)電路(b)輸入、輸出波形關(guān)系12/12/202330.③二極管電平選擇電路電平選擇電路是能夠從多路輸入信號中選出最低電平或最高電平的電路形式。常用于脈沖數(shù)字電路。12/12/202331.二極管電平選擇電路高電平選擇低電平選擇12/12/202332.二極管電平選擇電路（圖）圖二極管低電平選擇電路及波形(a)電路(b)輸入、輸出波形關(guān)系12/12/202333.上例說明以上為低電平選擇電路。輸入u1、u2，加入方波信號。E是電源為5V電壓?？摧敵鰑0的變化情況。是與門電路。12/12/202334.高電平選擇電路若將VD1、VD2換向，將E加負值，則可變?yōu)楦唠娖竭x擇電路。電路若輸入數(shù)字量，則為或門電路。12/12/202335.5.3.5穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管正是利用PN結(jié)的“反向擊穿特性”。穩(wěn)壓二極管可用于限幅和穩(wěn)壓。12/12/202336.⑴穩(wěn)壓二極管符號及特性圖穩(wěn)壓二極管及其特性曲線（a)電路符號（b)伏安特性曲線12/12/202337.穩(wěn)壓二極管符號（圖）

12/12/202338.雙向穩(wěn)壓管符號（圖）

12/12/202339.⑵穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)＊穩(wěn)壓電壓UZ額定功耗Pz穩(wěn)定電流Iz動態(tài)電阻rz溫度系數(shù)

12/12/202340.穩(wěn)壓電壓UZ指管子長期穩(wěn)定時的工作電壓值（電流為規(guī)定值）。注意UZ分散性較大。12/12/202341.額定功耗Pz:與材料、結(jié)構(gòu)、工藝有關(guān)。使用時不允許超過此值。受熱擊穿限制。12/12/202342.穩(wěn)定電流Iz是穩(wěn)壓管的正常工作電流。工作電流要限制在一個工作范圍內(nèi)。不能大于Izmax＝PZ/UZ（管子損壞）不能小于Izmin(管子不工作）12/12/202343.動態(tài)電阻rz是在擊穿狀態(tài)下，管子兩端電壓變化量與電流變化量的比值。反映在特性曲線上，是工作點處切線斜率的倒數(shù)。一般為幾歐姆到幾十歐姆（越小越好）。12/12/202344.溫度系數(shù)

指管子受溫度影響的程度。＞7V是正溫系數(shù)(雪崩擊穿)；＜5V是負溫系數(shù)(齊納擊穿)；5～7V溫度系數(shù)最小。12/12/202345.⑶穩(wěn)壓二極管電路電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)壓管負載電阻限流電阻12/12/202346.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路舉例（圖）圖穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路12/12/202347.穩(wěn)壓電路分析當Ui和RL變化時，電路可使輸出電壓Uo保持穩(wěn)定。UO=Ui－I×R（KVL)I=IZ﹢IL(KCL)12/12/202348.穩(wěn)壓電路分析當Ui變化時I變→IZ變(UZ不變)→則UO不變。I×R=UR變當RL變化IL變→I變→I×R=UR變IZ不變→UZ不變→UO不變12/12/202349.穩(wěn)壓電路分析是依靠R上電壓變化進行調(diào)節(jié)。對限流電阻R要合理選擇Rmax要使Uz還能工作，Rmin不能使IZ太大，以免燒毀。----對限流電阻R要合理選擇，見書（P115）有介紹。12/12/202350.4.3.6其它二極管簡介＊除以上基本二極管，還有許多其他用途的二極管（特殊二極管）。如：變?nèi)荻O管光電二極管發(fā)光二極管肖特基二極管等。12/12/202351.①變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管結(jié)電容（反向應用時勢壘電容比較大）。變?nèi)荻O管在高頻電路有廣泛應用，如電壓～功率交換、電子調(diào)諧、功率調(diào)制等。

12/12/202352.變?nèi)荻O管（圖）

圖變?nèi)荻O管符號12/12/202353.

②光電二極管光電二極管具有光→電轉(zhuǎn)換性能（光電管外殼用玻璃窗口）。

受光照端為前極，不受光照端為后極。12/12/202354.

光電二極管（圖）

圖光電二極管符號12/12/202355.

③發(fā)光二極管發(fā)光二極管具有電→光轉(zhuǎn)換的性能?？梢姽庥屑t、黃、綠、藍、紫等。發(fā)光亮度與工作電流成比例。屬于冷光源，是環(huán)保節(jié)能和綠色能源?？捎糜诟鞣N指示燈、七段數(shù)碼顯示等。12/12/202356.發(fā)光二極管（圖）

圖發(fā)光二極管符號12/12/202357.

小資料：LED是什么？LightEmittingDiode，即發(fā)光二極管。它是一種半導體固體發(fā)光器件，是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發(fā)生復合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED可以直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。

12/12/202358.小資料：LED是什么？早在1907年，人們就發(fā)現(xiàn)了半導體材料通電發(fā)光現(xiàn)象，不過真正商用的LED是上世紀60年代，當時只能發(fā)紅光，而且發(fā)光效率也很低。真正影響LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高亮度白光LED在1997年。節(jié)能、環(huán)保和長壽是LED區(qū)別于傳統(tǒng)白熾燈的三大優(yōu)勢，LED是“冷”光源，它不依賴燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉(zhuǎn)化效率非常高，理論上可以只有白熾燈耗能的1/10，相比普通熒光燈也要節(jié)能1/2。12/12/202359.小資料：LED是什么？LED的特點:

多變幻：LED光源可利用LED通短時間短和紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術(shù)控制下實現(xiàn)色彩和圖案變化，是一種可控制的“動態(tài)光源”。壽命長：LED光源無燈絲、工作電壓低，使用壽命可達5萬到10萬小時，也就是5年到10年時間。利環(huán)保：生產(chǎn)中無有害元素，使用中不發(fā)出有害物質(zhì)、無輻射。新技術(shù)：與傳統(tǒng)光源比，LED光源融合了計算機、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等高新技術(shù)，具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。

12/12/202360.小資料：LED是什么？LED發(fā)光原理：LED為何壽命長？發(fā)光二極管的發(fā)光機理是由二極管特殊的組成結(jié)構(gòu)決定的。二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學系統(tǒng)組成，當在電極上加上正向偏壓之后，使電子和空穴分別注入P區(qū)和N區(qū)，當非平衡少數(shù)載流子和多數(shù)載流子復合時，就會以輻射光子的形式將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能。其發(fā)光過程包括三個部分：正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。由此可見二極管主要是靠載流子的不斷移動而發(fā)光的，不存在老化和燒斷的現(xiàn)象，其特殊的發(fā)光機理決定了它的發(fā)光壽命長達5～10萬個小時。12/12/202361.

④肖特基二極管金屬與N型二極管接觸形成勢壘區(qū)制成的二極管，稱為肖特基或表面勢壘二極管