半导体二极管

半导体二极管的结构和类型

二极管的伏安特性曲线

二极管的主要参数

二极管的等效电路及应用

稳压二极管

第四章

半导体二极管是由一个 PN 结及它所在的 半导体再加上电极引线和管壳构成。结构结构

类型类型

按材料分类按材料分类

按结构分类按结构分类

按用途分类按用途分类

硅管，锗管

点接触型

普通二极管，整流二极管，开关二极管，稳压二极管等

面接触型 硅平面型

第二节

阳极

阴极

金属支架

正极引线

负极引线

金锑合金P 型硅 铝合金小球

N 型硅片

阳极引线

阴极引线

N 型锗片

金属触丝管壳

二氧化硅保护层

负极引线

阳极引线

N 型硅P 型硅

第二节

阳极

阴极

第二节

面接触型二极管特点：结面积大、结电容大，允许通过较大的电流，适用于低频整流。

硅平面型二极管特点：结面积大的可用于大功率整流；结面积小的，结电容大，适用于脉冲数字电路，作为开关管使用。

点接触型二极管特点：结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用于高频电路的检波或小电流的整流。

点接触型二极管特点：结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用于高频电路的检波或小电流的整流。

第二节

mA

V

RW

V

R

D

mAV

RW

V

R

D

伏安特性方程：

第二节

OD 段称为正向特性。

OC 段，正向电压较小，正向电流非常小，只有当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个电压称为死区电压，亦称开启电压。

CD 段，当正向电压大于死区电压后，正向电流近似以指数规律迅速增长，二极管呈现充分导通状态。

1 正向特性第二节

A

D

C

B

iD

uDO

UBR

A

D

C

B

iD

uDo

UBR

OB 段称为反向特性。这时二极管加反向电压，反向电流很小。

当温度升高时，半导体中本征激发增加，是少数载流子增多，故反向电流增大，特性曲线向下降。

3 反向击穿特性

BA 段称为反向击穿特性当二极管外加反向电压大于一定数值时，反向电流突然剧增，称为二极管反向击穿。

2 反向特性第二节

iD

o uD

20

40

60

80

100

(mA)

(v)

-40-80

-0.1

-0.2

0.4 0.8

~

第二节iD

o uD

-200 -10020

40

60

80

100

-10

-30

-20

75

20

(mA)

(v)

(μA)

1 2

材料 开启电压（ V ）

导通电压（ V ） 反向饱和电流（ μA ）

硅（ Si ）

≈0.5 0.6~1 <0.1

锗（ Ge ）

≈0.1 0.2~0.5 几十

二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

参数参数对器件性能的定量描述

器件使用的极限条件两大类

半导体二极管的主要

参数

最大整流电流 IF最大整流电流 IF

最大反向工作电压 UR最大反向工作电压 UR

反向电流 IR反向电流 IR

最大工作频率 fM最大工作频率 fM

第二节

二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。

管子使用时允许加的最大反向电压。

二极管未发生击穿时的反向电流值。

二极管单向导电作用开始明显退化时的交流信号的频率。

为简化分析计算，在一定的条件下可以近似用某些线性电路来等效实际的二极管。

（一）理想二极管等效电路

当外加正向电压时，二极管导通，正向压降 uD=0,相当于开关闭合；

iD

uD0

D

特性曲线的近似等效电路

第二节

当外加反向电压时，二极管截止，反向电流 IR=0 ，相当于开关断开。

( 二）考虑正向压降的等效电路

D K

UD

在二极管充分导通且工作电流不是很大时，可以近似认为 UD 为常数，用一个直流电压源 UD

来等效正向导通的二极管。

当外加正向当外加正向电压大于电压大于 UUDD 时，二极管导通，时，二极管导通，开关闭合，二极管两端压降为开关闭合，二极管两端压降为 UUDD ；当外加；当外加电压小于电压小于 UUDD 时，二极管截止时，二极管截止，开关断开。，开关断开。

当外加正向当外加正向电压大于电压大于 UUDD 时，二极管导通，时，二极管导通，开关闭合，二极管两端压降为开关闭合，二极管两端压降为 UUDD ；当外加；当外加电压小于电压小于 UUDD 时，二极管截止时，二极管截止，开关断开。，开关断开。

特性曲线的近似等效电路

第二节

iD

uDUD0

（三）二极管电路的分析方法

分析方法分析方法分析方法分析方法图解法图解法图解法图解法

计算分析法计算分析法

第二节

二极管具有单向导电性，利用它可以进行

四个二极管D1~D4 结成电桥形式

DD11

D2D3

D4

RL

A

B

u0

+

-

+

-

u

交流电到直流电的转换。

第二节

当交流电源 u>0 时，二极管D1 、 D3 导通，相当于开关闭合； D2 、 D4 截止；相当于开关断开。

D1

D4

D2

D3

+

-

A

B

+

-

u0RL

uuu O

第二节

u>0 时oi

当 u<0 时，二极管D2 、 D4 导通， D1 、D3 截止。

DD11

D2

D4

D3

A

B

u0RL

+

-

-

+

uuu O

oi

第二节

u<0 时

uo(i

o ）

0 π 2π 3πωt

0 π 2π 3π ωt

u

uo io

D4 DD11

D2D3

u+

- uo

+

-

RL

io

0 π 2π 3πωt

iD

iD1 ,iD3 iD2 ,iD4

第二节

uo(i

o ）

0 П 2П 3Пωt

uo io

桥式全波整流输出电压uO 的平均值 UO 为 :

UU

ttdUU m

9.022

sin1

0O

UU 为交流电源为交流电源 uu 的有效的有效值值

负载电阻RL 中流过的电流 iO 的平均值 IO 为 :

第二节

流过每个二极管的平均电流 ID 为 IO 的一半。即

每个二极管在截止时，它的两端承受的最大反向电压就是交流电源电压 u 的峰值。记为：

设计选择二极管时必须满足下列条件 UUU

R

UII

2

45.0

DRR

L

DF

u+

- uo

+

-

RL

io

第二节

限幅电路及波形

限幅电路常用于有选择地传输信号波形的一部分。

当 u>UR+UD 时，二极管 D导通 , uO=UR+UD 。当 u<UR+UD 时，二极管 D截止 , uO=u 。

在 u 的最大值及 UR都远远大于 UD 的条件下采用理想二极管等效电路来分析。

!

u

u

u

+

-

+

-

R

R

UR

UR

D

K

0.7vUD

uO

uO

+

+

-

-

uO

UR+UD

ωt0

第二节

工程中常用的符号

新规定的符号

稳压管是利用稳压管是利用 PNPN 结的反向击穿特结的反向击穿特性来实现稳定电压作用的。性来实现稳定电压作用的。

第二节

当稳压管反向击穿后，当稳压管反向击穿后，有较大的电流增量∆有较大的电流增量∆ II

ZZ 。。

相应的管子两端的反相应的管子两端的反向击穿电压（即稳压向击穿电压（即稳压管的稳定电压管的稳定电压 UUZZ ）只）只有很小的变化量∆有很小的变化量∆ UUZZ 。。

0

I

U

∆UZ

UZ

IZ

IZM

∆IZ

第二节

稳压管的主要参数

1. 稳定电压 UZ 。

2.动态电阻 rZ 。

3. 稳定电流 IZ 。

4.额定功耗 PZM 及最大稳定电流 IZM

5. 电压温度系数

参数

第二节

1. 稳定电压 UZ

UZ 是当稳压管中的电流为规定的测试电流时，稳压管两端的电压。

稳定电流是稳压管工作时的参考电流值，通常把手册上给定的稳压电流值看成稳压管正常工作时的电流下限。

2. 稳定电流 IZ 0

I

U

∆UZ

UZ

IZ

IZM

∆IZ

第二节

rZ=∆UZ/∆IZ

rZ越小，则反向击穿特性曲线越陡，稳压作用越好。

3.动态电阻 r

Z

4. 4. 额定功耗额定功耗 PPZMZM

及最大稳定电流及最大稳定电流 II

ZMZMPPZMZM 是由管子允许温升限定是由管子允许温升限定的最大功率损耗的最大功率损耗

IIZMZM==PPZMZM//UUZZ

0

I

U

∆UZ

UZ

IZ

IZM

∆IZ

I (mA)0 4

4

8 12

16

8

12

rZ(Ω)

2CW1

ZI

第二节

rZ 是稳压管在稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应的电流变化量之比，即：

5.电压温度系数

1

3

2 工作时一个管子处于正向导通状态，具有负温度系数；另一个管子处于反向击穿状态，具有正温度系数，二者互相补偿。

电压温度系数越小，电压温度系数越小，温度稳定性越好。温度稳定性越好。

温度变化温度变化 11时，稳时，稳定电压变化的百分数定电压变化的百分数

第二节

稳压管的主要参数

1. 稳定电压 UZ

2.动态电阻 rZ

3. 稳定电流 IZ

4.额定功耗 PZM 及最大稳定电流 IZM

5. 电压温度系数

参数

第二节

RZ

+ +

- -

I

U UZDZ

UZ

K

UZ

0

i

u

特性曲线的近似等效电路 微变等效电路

外加反向电压小于外加反向电压小于 UUZZ 时，时，稳压管截止、开关断开；稳压管截止、开关断开；外加反向电压大于外加反向电压大于 UUZZ 时，时，稳压管反向击穿稳压，开稳压管反向击穿稳压，开关闭合，两端电压为关闭合，两端电压为 UUZZ 。。

∆IZ

∆UZ

+

-

rrZZ

第二节

稳压管稳压条件

当 U>UZ 时，稳压管 DZ 击穿稳压。

必须适 当选择 RZ 的阻值，使流过稳压管的电流在管子的参数——稳定电流 IZ 和最大稳定电流 IZM之间

RZ

+ +

- -

I

U UZDZ

第二节

例 4-1 在如图所示的稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压 UZ=6V ，最小稳定电流 IZmin=5mA ，最大稳定电流 IZmax=25mA ；负载电阻 RL=600Ω 。求解限流电阻 R的取值范围。

DZ

+

-UI=10

V

IRR

RL

ILIDZ

UO

+

-

解：

IR=IDZ+IL

UR=UI-UZ=10-6=4V

所以限流电阻 R 的取值范围为 114~227Ω.

第二节

所以 IR=(15~35)mA

其中 IDZ=(5~25)mA IL=UZ/RL=6/600=10mA

1. 伏安特性方程：

A

D

C

B

iD

uDo

UBR

本节知识要点一、二极管的伏安特性

2. 伏安特性曲线二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流和电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小；体现出单向导电性。 当反向电压加到足够大时，会产生反向击穿。利用击穿特性，可制成稳压管。二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

第二节

第二节二、二极管的主要参数1 、最大整流电流 IF ；1 、最大整流电流 IF ； 2 、最大反向工作电压 UR ；2 、最大反向工作电压 UR ；3 、反向电流 IR ；3 、反向电流 IR ； 4 、最大工作频率 fM 。4 、最大工作频率 fM 。

三、二极管的等效电路1 、理想二极管等效电路当外加正向电压时，二极管导通，正向压降 uD=0 ；外加反向电压时，二极管截止，反向电流 IR=0 。

D K

UD

当外加正向当外加正向电压大于电压大于 UUDD 时，二极管导通，时，二极管导通，开关闭合，二极管两端压降为开关闭合，二极管两端压降为 UUDD ；当外加；当外加电压小于电压小于 UUDD 时，二极管截止时，二极管截止，开关断开。，开关断开。

当外加正向当外加正向电压大于电压大于 UUDD 时，二极管导通，时，二极管导通，开关闭合，二极管两端压降为开关闭合，二极管两端压降为 UUDD ；当外加；当外加电压小于电压小于 UUDD 时，二极管截止时，二极管截止，开关断开。，开关断开。

2 、考虑正向压降的等效电路

二极管的两种等效电路

K