1-3--半导体二极管

西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--21构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型§1.3半导体二极管1.3.1半导体二极管的结构及分类西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--22(1)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。点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--23(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--24正极引线负极引线集成电路中平面型pNP型支持衬底(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--251)二极管的伏安方程)1e(/SDDTUuIi反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV1.3.2二极管的特性西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--262)二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)UU(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)定性——单向导电性西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--27正向特性硅二极管的死区电压Vth=0.5V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当V＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--28反向特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--293）硅、锗二极管的伏安特性曲线)1(/SDDTVveIi0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的V-I特性+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--210二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高１℃,正向压降减小２～２.５ｍV；温度每升高１０℃,反向电流约增大1倍。4)二极管的温度特性：西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--211(1)最大整流电流ＩＦ。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于ＩＦ,如超过ＩＦ,二极管将过热而烧毁。此值取决于ＰＮ结的面积、材料和散热情况。(2)最大反向工作电压ＵＲ。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时,二极管可能被击穿。为了留有余地,通常取击穿电压的一半作为ＵＲ。1.3.3二极管的参数西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--212(3)反向电流ＩＲ。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小,二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成,所以ＩＲ值受温度的影响很大。(4)最高工作频率ｆＭ。ｆＭ的值主要取决于ＰＮ结结电容的大小,结电容越大,则二极管允许的最高工作频率越低。西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--213(5)二极管的直流电阻ＲＤ。加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比,称为二极管的直流电阻ＲＤ,即此值可由二极管特性曲线求出,如图示。工作点电压为ＵＦ＝１.５V,电流ＩＦ＝５０ｍΑ,FFDIUR3010505.13FFDIUR西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--2140UFU/VIFI/mAQ1220406080图求直流电阻西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--215(6)二极管的交流电阻ｒｄ。在二极管工作点附近,电压的微变值ΔＵ与相应的微变电流值ΔＩ之比,称为该点的交流电阻ｒｄ,IUrd从其几何意义上讲,当ΔＵ→０时dIdUrd西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--216ｒｄ就是工作点Ｑ处的切线斜率倒数。显然,ｒ也是非线性的,即工作电流越大,ｒｄ越小。交流电阻ｒｄ也可从特性曲线上求出,如图１-１５所示。过Ｑ点作切线,在切线上任取两点Ａ、Ｂ,查出这两点间的ΔＵ和ΔＩ,则得5.1210)080(123,DQDQIdIUr西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--217图1-15求交流电阻西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--2184.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：DDDiur显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--219交流电阻rd也可利用PN结的电流方程求出。DQDTDTDUUTSUUSImVIUrdUUIdUeUIeIddITT)(26)]1([即式中,IDQ为二极管工作点的电流,单位取mA。式(1-5)的近似等式在室温条件下(T=300K)成立。对同一工作点而言,直流电阻RD大于交流电阻rd；对不同工作点而言,工作点愈高,RD和rd愈低。取I的微分可得:西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--220部分国产半导体高频二极管参数表最高反向工作电压（峰值）V反向击穿电压V正向电流mA反向电流μA最高工作频率MHZ极间电容Pf最大整流电流mA2AP120≥40≥2.5≤250150≤1162AP7100≥150≥5.0≤250150≤112参数型号部分国产半导体整流二极管参数表最大整流电流A最高反向工作电压（峰值）V最高工作电压下的反向电流（125度）μA正向压降（平均值）V最高工作频率MHZ2CZ52A0.1251000≤0.832CZ54D0.514001000≤0.832CZ57F530001000≤0.83参数型号西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--221特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=1.3.4半导体二极管的等效模型线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--222uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--223uDiDUD(on)UIIUrD斜率1/rDrD1UD(on)（3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻rD来作进一步的近似。电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V；至于rD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下：由于二极管的分散性，Vth、rD的值不是固定的。西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--2241.理想模型3.折线模型2.恒压降模型西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--225(4)小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr即)1(/SDDTVveIi根据得Q点处的微变电导QdvdigDDdQVvTTeVI/SDTVIDdd1gr则DIVT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--226应用举例1.二极管的静态工作情况分析V0DVmA1/DDDRVI理想模型（R=10k）（1）VDD=10V时mA93.0/)(DDDDRVVI恒压模型V7.0DV（硅二极管典型值）折线模型V5.0thV（硅二极管典型值）mA931.0DthDDDrRVVIk2.0Dr设V69.0DDthDrIVV+DiDVDD+DiDVDDVD+DiDVDDrDVth（2）VDD=1V时（自看）西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--2272.试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15V(V)912313NUUPUN二极管导通等效为0.7V的恒压源UO=VDD1UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1k3kIOI1I215V12VPN第1章半导体二极管西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--2283.二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。UAUBUOR3k12VVDDV1V2BAY输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V第1章半导体二极管西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--2294.画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15Otui/V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4第1章半导体二极管西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--2305.ui=2sint(V),分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuORui0.7VV1、V2均截止uO＝uiuO＝0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui0.7VV1导通V2截止uO＝0.7V思考题:V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？OtuO/V0.7Otui/V20.7第1章半导体二极管西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--231VDDuDRuD=VDDiDRiD=f(uD)1.2V100iD/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流负载线斜率1/R静态工作点也可取UQ=0.7VIQ=(VDDUQ)/R=5(mA)二极管直流电阻RD140)k(14.05/7.0QQDIUR斜率1/RDiDQIQUQ1.3.5二极管电路的分析方法1）二极管电路的直流图解分析西安电子科技大学计算机学院吴自力2012--232电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分VDDuiuDRCiDC隔直流通交流当ui=0时iD=IQUQ=0.7V(硅)，0.2V(锗)RUVIQDDQ设ui=sintiD/mAuD/VOVDDVDD/RQIQtOuiUQiD/mAtOdQDiIidQDuUuid斜率1/rDQdudirDDd1