電子技術（第5版） 課件 1 二極管及應用

2024-01-24第1章二極管及應用

內(nèi)容提要本章在簡單介紹半導體的基本知識后，重點介紹了半導體二極管的結構、特性、主要參數(shù)及二極管的各種應用，最后介紹了特殊二極管的知識，為后面的學習奠定基礎。2024-01-241.1二極管1.2二極管的應用1.3特殊二極管1.4二極管的簡易測試2024-01-24

1.1二極管

1.1.1半導體基本知識所謂半導體是指導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導體具有光敏性（導電能力隨光線照射強度的增大而增強）、熱敏性（導電能力隨溫度的升高而增強）、摻雜特性（在純凈半導體中摻入微量的雜質(zhì)元素，則其導電能力大大增強）。半導體理論證實，在半導體中存在兩種能夠導電的帶電粒子：帶負電的自由電子（簡稱電子）和帶正電的空穴。它們在外電場的作用下都有定向移動的效應，運載電荷形成電流，稱為載流子，如圖1.1所示。2024-01-24圖1.1半導體的兩種載流子2024-01-24

純凈的不含雜質(zhì)的半導體稱為本征半導體。在本征半導中摻入不同雜質(zhì)能形成兩種雜質(zhì)半導體，即：

N型半導體（又稱電子型半導體），其內(nèi)部自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。如在硅單晶體中摻入微量五價磷元素，可得到N型硅。

P型半導體（又稱空穴型半導體），其內(nèi)部空穴數(shù)量多于自由電子數(shù)量，即空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。如在硅單晶體中摻入微量三價硼元素，可得到P型硅。2024-01-24

如果通過專門技術把P型半導體和N型半導體結合起來，在它們的交界處就會形成一個特殊的薄層，稱為PN結。PN結對來自兩個方向的電流呈現(xiàn)不同的性質(zhì)，在外加電壓足夠大時，電流只能從P區(qū)流向N區(qū)，反方向是不能導通的，即PN結具有單向導電性。2024-01-24

1.1.2二極管簡介半導體二極管，實際上是由一個PN結加上電極引線與外殼制成的。由P區(qū)引出的電極稱為陽極或正極，由N區(qū)引出的電極稱為陰極或負極。因PN結具有單向導電性，所以二極管也具有單向導電性。如圖1.2所示為二極管的外形、內(nèi)部結構示意和符號（用VD表示）。

2024-01-24圖1.2二極管的外形、內(nèi)部結構示意和符號

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二極管按所用半導體材料可分為硅（Si）二極管和鍺（Ge）二極管，不同材料二極管的導電性能存在差異，通常使用的這兩種半導體器件，硅要比鍺的熱穩(wěn)定性好得多。按用途分類除了普通二極管外，還有穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管等；按內(nèi)部結構可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管。不同結構的二極管所能通過的電流大小不同，如圖1.3所示。2024-01-24圖1.3二極管的結構2024-01-24

點接觸型二極管是由一根很細的金屬絲熱壓在N型鍺晶片上制成的，由于金屬觸絲與N型半導體的接觸面很小，允許通過電流也很小，但結電容小，工作頻率高，適合做高頻檢波器件。面接觸型二極管是用合金法制成的，PN結面積較大，允許通過較大電流和具有較大功率容量，結電容較大，適于較低頻率下工作，一般用做整流器件。2024-01-24

1.1.3二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二極管兩端的電壓和其中流過的電流之間的關系，定量描述兩者之間關系的曲線稱為二極管伏安特性曲線。圖1.4（a）所示是測試二極管正向伏安特性的電路。R為限流電阻，調(diào)節(jié)電位器RP使二極管兩端正向電壓從零開始逐漸增大，讀出電壓表（V）和對應的毫安表（mA）數(shù)據(jù)，畫出正向伏安特性曲線。圖1.4（b）所示是測試二極管反向伏安特性的電路。

2024-01-24圖1.4測試二極管伏安特性電路2024-01-24

圖1.5給出了較為典型的硅管伏安特性曲線。

圖1.5二極管伏安特性曲線

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1.正向特性二極管陽極接高電位，陰極接低電位，這種連接稱為二極管的正向偏置。死區(qū)：由圖1.5可見，對某一給定的二極管，當外加的正向電壓低于一定值時，其正向電流很小，幾乎為零。而當正向電壓超過此值時，正向電流增長很快，這個正向電壓的定值通常被稱為“死區(qū)電壓”，其大小與材料及環(huán)境溫度有關。一般來說，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V。2024-01-24

正向工作區(qū)：當二極管正向電壓超過死區(qū)電壓后，正向電流變化很大，而電壓的變化極小，硅管的導通電壓約為0.6～0.7V，鍺管的導通電壓約為0.2～0.3V。通常認為二極管正向導通后電壓固定在某個值，這個值被稱為導通電壓，以后我們在討論計算時，統(tǒng)一取硅管的導通電壓為0.7V，鍺管的導通電壓為0.3V。2024-01-24

2.反向特性二極管陽極接低電位，陰極接高電位，這種連接稱為二極管的反向偏置。反向截止區(qū)：當外加電壓為負時，即加以反向電壓，由圖1.5可見，反向電流很小，且在某一范圍內(nèi)基本保持不變，稱為反向飽和電流。由于半導體的熱敏特性，反向飽和電流將隨溫度的升高而增大。反向擊穿區(qū)：當外加電壓過高而超過某一值時，則反向電流突然增大，二極管失去了單向導電性，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，此時的反向電壓稱為反向擊穿電壓。2024-01-24

1.1.4二極管的主要參數(shù)二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，還可用它的參數(shù)來說明，二極管的主要參數(shù)有如下幾個。

1.最大整流電流IFM

最大整流電流IFM是指二極管長時間使用時，允許通過的最大正向平均電流。使用時工作電流要小于這個電流，否則，電流過大，將有可能使二極管燒壞。

2.最高反向工作電壓URM

最高反向工作電壓URM是指允許加在二極管兩端的最大反向電壓。最高反向工作電壓一般為擊穿電壓的1/2或2/3。2024-01-24

1.2二極管的應用

利用二極管的單向導電性，可以組成開關、整流、限幅、鉗位、隔離等應用電路。

1.開關二極管在數(shù)字電路中應用時，常將其理想化為一個無觸點開關器件（如小電鍵為有觸點開關器件）。二極管正向導通時，正向壓降為0V，相當于開關閉合；二極管反向截止時，視其反向電流為0，相當于開關斷開。2024-01-24

2.整流整流就是指將交流電變?yōu)橹绷麟?。利用二極管的單向導電性可組成各種整流電路，圖1.6所示為一個單相半波整流電路。由于二極管VD的單向導電性，在u2的正半周，其極性是上正下負，二極管因承受正向電壓而導通，負載電阻RL兩端的電壓為uo；在u2的負半周，其極性是上負下正，二極管因承受反向電壓而截止，負載電阻RL上沒有電壓。因此在負載RL上得到的是半波整流電壓uo，圖1.7為其工作波形。2024-01-24

圖1.6半波整流電路圖1.7半波整流工作波形2024-01-24

3.限幅

當輸入信號幅度變化較大時，限制輸出信號幅度的電路稱為限幅電路，如圖1.8所示。

假定二極管是理想的，當輸入電壓ui為正半周時，且ui≥

E（E為直流電壓），二極管VD導通，將輸出uo的幅度限制在uo=E上；當ui＜E時，二極管承受反向電壓而截止，二極管VD兩端相當于開路，uo=ui。從波形圖中不難看出，輸出電壓幅度被限制在uo≤

E以下。

2024-01-24圖1.8二極管限幅電路及波形2024-01-244.

鉗位

在圖1.9所示電路中，輸入端A的電位UA=0V，輸入端B的電位UB=3V，輸出端Y的電位應為多少呢？圖1.9鉗位電路2024-01-24

由于A端電位比B端低，因此二極管VD1優(yōu)先導通，則VD1正極端C點電位UC=0.7V≈0V。此時VD2負極端電位UB=3V，正極端電位為0V，承受反向電壓，因而截止。這里VD1起鉗制電位的作用，把輸出Y端的電位鉗制在0V。二極管這種作用稱為鉗位。2024-01-24

5.隔離在圖1.9所示電路中，注意到VD2兩邊的電位不同，VD2把輸入端B和輸出端Y隔離開來，VD2在這里的作用稱為隔離，即把兩種不同電位的電路隔離開來，互不影響，電子電路中常常要用到這一點。2024-01-24

*6.檢波在廣播、電視及通信中，為了使聲音、圖像能遠距離傳送，需要將一低頻信號“裝載”到高頻信號（叫載波信號）上，以便從天線上發(fā)射出去，這個過程稱為調(diào)制。經(jīng)高頻傳送以后，在接收端將低頻信號從已調(diào)制信號（高頻信號）中取出，稱為檢波或解調(diào)。二極管檢波電路如圖1.10所示，輸入信號ui為已調(diào)制高頻信號，即帶有低頻信號的特征，由收音機、電視機接收后，首先由檢波二極管VD將此信號的負半周去掉得uA，然后利用電容器C將uA信號中的高頻信號濾去，留下低頻信號uo，可以再放大這一低頻信號，送給負載（揚聲器或顯像管），還原成聲音或圖像。2024-01-24圖1.10二極管檢波電路及波形2024-01-24

*7.續(xù)流圖1.11所示是繼電器觸點的保護電路。續(xù)流二極管VD并聯(lián)在繼電器電感線圈J兩端，當繼電器觸點斷開時，電感線圈的電流突然被切斷，繼電器線圈會產(chǎn)生很高的自感電動勢eL（方向如圖所示），與電源電壓疊加作用到繼電器觸點上，并產(chǎn)生火花。增設續(xù)流二極管以后，由它提供通路（正偏、導通），將電感的磁場能量消耗于續(xù)流電路中，把自感電動勢eL限定在很低數(shù)值（0.7V），從而保護了繼電器觸點和晶體管不受損壞。二極管的這種作用稱為續(xù)流。2024-01-24圖1.11二極管續(xù)流保護電路2024-01-24

1.3特殊二極管1.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型硅二極管，其符號和伏安特性曲線如圖1.12所示。其正向特性曲線與普通二極管基本相同。但反向擊穿特性曲線很陡且穩(wěn)壓管的反向擊穿是可逆的，故它可長期工作在反向擊穿區(qū)AB段而不致?lián)p壞。正常情況下穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，由于曲線很陡，反向電流在很大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端的電壓卻幾乎穩(wěn)定不變，穩(wěn)壓管就是利用這一特性在電路中起穩(wěn)壓作用的。只要反向電流不超過其最大穩(wěn)定電流，就不會引起破壞性的熱擊穿，因此，在電路中穩(wěn)壓管常串聯(lián)一適當?shù)南蘖麟娮琛?024-01-24圖1.12穩(wěn)壓管的符號和伏安特性曲線

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與一般二極管不同，穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有以下幾個。（1）穩(wěn)定電壓UZ。穩(wěn)定電壓是指穩(wěn)壓管在正常工時管子兩端的電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ。穩(wěn)定電流是指保持穩(wěn)定電壓UZ時的工作電流。（3）最大穩(wěn)定電流IZmax。最大穩(wěn)定電流是指穩(wěn)壓管通過的最大反向電流。穩(wěn)壓管在工作時電流不應超出這個值。2024-01-24*（4）動態(tài)電阻rZ。動態(tài)電阻是穩(wěn)壓管兩端電壓變化量與通過的電流變化量之比，即

rZ愈小，由

IZ引起的

UZ變化愈小?？梢?，動態(tài)電阻小的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能好。2024-01-24

1.3.2發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱LED，是一種把電能直接轉換成光能的固體發(fā)光器件。發(fā)光二極管也是由PN結構成的，具有單向導電性，當發(fā)光二極管加上正向電壓時能發(fā)出一定波長的光，采用不同的材料，可發(fā)出紅、黃、綠等不同顏色的光。圖1.13所示為發(fā)光二極管外形及其圖形符號。發(fā)光二極管常用做顯示器件，可單個使用，也可做成七段式或矩陣式數(shù)字顯示器件。工作電流一般為幾～幾十毫安之間。2024-01-24圖1.13發(fā)光二極管及符號（a）外形

（b）符號2024-01-24

1.3.3光電二極管光電二極管又稱為光敏二極管，是一種將光信號轉換為電信號的半導體器件，其外形及符號如圖1.14所示。它由一個PN結構成，具有單向導電性，其管殼上有一個用有機玻璃透鏡封閉的窗口，入射光通過透鏡正好照射在二極管上。使用時，其PN結工作在反向偏置狀態(tài)，在光的照射下，反向電流隨光照強度的增加而上升，這時的反向電流稱為光電流。光電二極管常用作傳感器的光敏器件。2024-01-24圖1.14光電二極管及符號

（a）外形

（b）符號2024-01-24

圖1.15所示為光電傳輸系統(tǒng)，發(fā)光二極管將電信號轉變?yōu)楣庑盘?，通過光纜傳輸，然后再由光電二極管接收，再現(xiàn)電信號。圖的左邊為發(fā)光二極管發(fā)射電路，右邊為光電二極管接收電路。在發(fā)射端，1個0～5V的脈沖信號通過500

的電阻作用于發(fā)光二極管（LED），這個驅動電路可使LED產(chǎn)生1個數(shù)字光信號，并作用于光纜，由LED發(fā)出的光約有20%耦合到光纜。在接收端，傳送的光中約有80%耦合到光電二極管，這樣在接收電路的輸出端便復原為0～5V電平的數(shù)字信號。

2024-01-24圖1.15光電傳輸系統(tǒng)2024-01-24

*1.3.4變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是利用PN結之間電容可變的原理制成的半導體器件。PN結類似于一個平板電容器，其符號如圖1.16所示。變?nèi)荻O管工作在反向偏置狀態(tài)，其電容量一般為（幾十～幾百）pF，且隨反偏電壓（0~30V）的升高而減?。s15倍）。

圖1.16變?nèi)荻O管符號

變?nèi)荻O管的用途是在高頻調(diào)諧、通信等電路中作為可變電容器使用。例如，在電視機的頻道選擇器中，利用它來微調(diào)選擇電視臺的頻道。2024-01-24

*1.3.5肖特基二極管肖特基二極管的特點是：正向導通電壓（約為0.4V）較低、功耗較低、電流大和開關時間很短。該類管PN結電容很小，約1pF，肖特基二極管既可在超高頻及甚高頻段作檢波管，又適用于高速開關電路及高速數(shù)字電路。2024-01-24

肖特基二極管是利用金屬（鋁）和半導體（硅）的直接相接來代替PN結，其導通狀態(tài)轉換到截止狀態(tài)的開關時間相當短；正向特性曲線狠陡，死區(qū)電壓約為0.4V。與硅、鍺二極管相比，肖特基二極管因其特性曲線曲率較小，具有較低的動態(tài)電阻，應用在檢波電路中可明顯提高效率。肖特基二極管反向電流較大，而且所允許的最高反向電壓（約70V）低于普通的硅二極管。它的正向電流最大可達3000A，所以適用于低壓整流、高頻或開關電路中。2024-01-24

此外，還有很多其他不同用途的二極管，例如，檢波二極管、阻尼二極管、開關二極管、紅外光電二極管、紅外發(fā)光二極管、激光二極管等。我國國產(chǎn)半導體二極管器件的型號采用國家標準GB294-74的規(guī)定。國外半導體器件型號標準不一，可參看其他有關資料。

2024-01-24*1.3.6

無引線片狀二極管無引線片狀二極管即為貼片二極管，目前應用廣泛，其體積小、重量輕、高頻性能好、形狀簡單、尺寸標準化，焊點處于元件的兩端，便于自動化裝配。片狀二極管的尺寸很小，通常用縮減的符號來表示元件的基本參數(shù)。常見的無引線片狀二極管有：穩(wěn)壓二極管、肖特基二極管、開關二極管、變?nèi)荻O管和復合二極管等5種類型。復合二極管是指把兩個以上的二極管封裝在一起，減小數(shù)目和體積，以滿足不同需要，其組合形式見圖1.17所示。2024-01-24

（a）共陽式（b）共陰式（c）串聯(lián)式（d）獨立輸出式

圖1.17復合二極管的組合形式2024-01-24片狀二極管的主要封裝形式見圖1.18所示，肖特基二極管的封裝常采用圖1.18（a）、（b）所示形式；穩(wěn)壓二極管的封裝2～30V、0.5W采用圖1.18（b）所示形式，1W采用圖1.18（c）所示形式；復合二極管的封裝常采用圖1.18（b）、（c）等所示形式。2024-01-24（a）片狀二腳封裝（b）片狀SOT-23封裝（c）片狀SOT-89封裝圖1.18無引線片狀二極管封裝形式2024-01-24

1.4二極管的簡易測試利用晶體管特性圖示儀可以對二極管做較準確的測量。實驗中常用萬用表判別二極管的極性及好壞。

1.二極管極性的判別利用二