半导体二极管及其应用

—202—第4章半导体二极管及其应用电子电路区别于以前所学电路的主要特点是电路中引入各种电子器件。电子器件的类型很多，目前使用得最广泛的是半导体器件——二极管、稳压管、晶体管、绝缘栅场效应管等。由于本课程的任务不是研究这些器件内部的物理过程，而是讨论它们的应用，因此，在简单介绍这些器件的外部特性的基础上，讨论它们的应用电路。4.1PN结和半导体二极管4.1.1PN结的单向导电性我们在物理课中已经知道，在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。这是由于形成了有传导电流能力的载流子。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或Ｐ型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。在一块半导体基片上通过适当的半导体工艺技术可以形成Ｐ型半导体和Ｎ型半导体的交接面，称为PN结。PN结具有单向导电性：当PN结加正向电压时，Ｐ端电位高于N端，PN结变窄,由多子形成的电流可以由Ｐ区向Ｎ区流通，见图4-1(a),而当PN结加反向电压时，Ｎ端电位高于Ｐ端，PN结变宽,由少子形成的电流极小，视为截止(不导通)，见图4-1(b)。4.1.２半导体二极管半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由Ｐ区引出的电极称为阳极，Ｎ区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。二极管的种类很多，按材料来分，最常用的有硅管和锗管（a）PN结加正向电压（b）PN结加反向电压图4-1PN结的单向导电性RRNPIE外加电场自建电场NPI≈0E外加电场自建电场两种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种。（a）符号（b）点接触型（c）面接触型（d）硅平面型（e）外形示意图图4-2常用二极管的符号、结构和外形示意图图4-2是常用二极管的符号、结构及外形的示意图。二极管的符号如图4-2（a）所示。箭头表示正向电流的方向。一般在二极管的管壳表面标有这个符号或色点、色圈来表示二极管的极性，左边实心箭头的符号是工程上常用的符号，右边的符号为新规定的符号。从工艺结构来看，点接触型二极管（一般为锗管）如图4-2(b)其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）如图4-2(c)其特点是结面积大，结电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管如图4-2(d)，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。4.1.3二极管的伏安特性二极管的电流与电压的关系曲线I=f（V），称为二极管的伏安特性。其伏安特性曲线如图4-3所示。二极管的核心是一个PN结，具有单向导电性，其实际伏安特性与理论伏安特性略有区别。由图4-3可见二极管的伏安特性曲线是非线性的，可分为三部分：正向特性、反向特性和反向击穿特性。1．正向特性当外加正向电压很低时，管子内多数载流子的扩散运动没形成，故正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电流，这个电压值称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V，当正向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，硅管正向压降约为0.6～0.7V，锗管的正向压降约为0.2～0.3V。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，如图4-3所示，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研阴极阴极阴极阴极阴极阳极阳极阳极阳极阳极6040200图4-3二极管的伏安特性I(mA)75℃20℃死区20℃75℃0.40.8V(V)302010—204—究表明，温度每升高10C，正向压降减小2mV。2.反向特性二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十μA，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1μA以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表明，温度每升高100C，反向电流近似增大一倍。3．反向击穿特性当二极管的外加反向电压大于一定数值（反向击穿电压）时，反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。4.1.4二极管的主要参数二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，参数同样能反映出二极管的电性能,器件的参数是正确选择和使用器件的依据。各种器件的参数由厂家产品手册给出，由于制造工艺方面的原因，既使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册常给出某个参数的范围，半导体二极管的主要参数有以下几个：１．最大整流电流IDMIDM指的是二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。在使用时，若电流超过这个数值，将使ＰＮ结过热而把管子烧坏。２．反向工作峰值电压VRMVRM是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。一般这个参数是二极管反向击穿电压的一半，若反向电压超过这个数值，管子将会有击穿的危险。３．反向峰值电流IRMIRM是指二极管加反向电压VRM时的反向电流值，IRM越小二极管的单向导电性愈好。IRM受温度影响很大，使用时要加以注意。硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。４．最高工作频率ƒM二极管在外加高频交流电压时，由于ＰＮ结的电容效应，单向导电作用退化。ƒM指的是二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。4.1.5二极管的等效电路及其应用由于二极管的伏安特性是非线性的，为了分析计算方便，在特定的条件下，我们可以将其线性化处理，视为理想元件。1．理想二极管等效电路在电路中，若二极管导通时的正向压降远小于和它串联元件的电压，二极管截止时反向电流远小于与之并联元件的电流，那么可以忽略管子的正向压降和反向电流把二极管理想化为一个开关，当外加正向KD图4-4理想二极管等效电路电压时，二极管导通，正向压降为０，相当于开关闭合，当外加反向电压时，二极管截止，反向电流为０，相当于开关断开，理想二极管的等效电路如图4-4。利用理想二极管表示实际二极管进行电路的分析和计算可以得出比较满意的结果，但稍有一些误差。2．二极管应用电路举例二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。下面介绍几种应用电路。(1)限幅电路：限幅器的功能就是限制输出电压的幅度。例4-1图4-5（a）就是利用二极管作为正向限幅器的电路图。已知vi=Vmsinωt，且VmVS，试分析工作原理，并作出输出电压vo的波形。解：a)二极管导通的条件是vi＞VS，由于D为理想二极管，D一旦导通，管压降为零，此时vo＝VSb）当vi≤VS时，二极管截止，该支路断开，R中无电流，其压降为０。所以vo＝vic)根据以上分析，可作出vo的波形，如图4-5（b）所示，由图可见，输出电压的正向幅度被限制在VS值。注意：作图时，vo和vi的波形在时间轴上要对应，这样才能正确反映vo的变化过程。(2)二极管门电路门电路是一种逻辑电路，在输入信号（条件）和输出信号（结果）之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号0和1来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。基本的逻辑关系有三种：与逻辑、或逻辑、非逻辑。与此相对应的门电路就有与门、或门、非门。由这三种基本门电路可以组成其他多种复合门电路。例4-2图4-6所示为最简单的与门电路及逻辑图符号。它是由二极管D1、D2和电阻R及电源VCC组成。图中A、B为两个输入端，F为输出端。设VCC=5V，A、B输入端的高电平（逻辑1）为3V，低电平（逻辑0）为0V，并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。试分析电路的输入与输出之间的关系。解：（1）当输入端A、B均为低电平0时，即VA=VB=0V时，二极管D1、D2均为正向偏置而导通，使输出端F的电压VF=0V，即输出端F为低电平0。（2）当输入端A为低电平0，B为高电平1，即VA=0V，VB=3V时，D1阴极电位低于VS（a）vo图4-5例4-1（b）VSviRDωtωtvivoVSVmF图4-6二极管与门电路及符号VCCD1D2ABRFAB&A(V)B(V)F(V)003303030003ABF001001010001表4-1电路的逻辑电平表4-2电路的真值表—206—D2阴极电位，D1导通，使VF=0V，因而D2为反向偏置而截止，输出端F为低电平0。（3）当输入端A为高电平1，B为低电平0，即VA=3V，VB=0V时，D1、D2的工作情况与（2）相反，输出端F仍为低电平0。（4）当输入端A、B均为高电平1时，即VA=VB=3V时，D1、D2均为正向偏置而导通，使输出端F的电压VF=3V，即输出端F为高电平1。从上述分析可知，只有当所有输入端都是高电平1时，输出端才是高电平1，否则输出端均为低电平0。这种“只有当决定一事件结果的所有条件都满足时，结果才发生”的逻辑关系称为与（And）逻辑，与门电路满足与逻辑关系。与逻辑也称为逻辑乘、与运算。通常用符号“·”表示，设A、B、F分别为逻辑变量，则与运算的表达式可写成以下形式：F＝A·B或F＝AB上式读作F等于A与B。逻辑与的含义是：只有输入变量A、B都为1时，输出变量F才为1；只要A、B中有一个为0，F便为0。换言之，也就是“有0出0，全1出1”。这一结论也适合于有多个变量参加的与运算。表4-1列出了图4-6所示电路输入与输出逻辑电平的关系。但在逻辑电路分析中，通常用逻辑0、1来描述输入与输出之间的关系，所列出的表称为真值表（即逻辑状态表）。上述与门的真值表如表4-2所示。另外，图4-7给出了或门电路及逻辑图符号。它也是由二极管和电阻组成的。图中A、B是两个输入端，F是输出端。设A、B输入端的高电平（逻辑1）为3V，低电平（逻辑0）为0V，并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。通过分析（详细过程读者可以自己分析）可知，只要A、B当中有一个是高电平（逻辑1）输出就是高电平（逻辑1）。只有当A、B同时为低电平（逻辑0）时，输出才是低电平（逻辑0）。这种“在决定一事件结果的所有条件中，只要有一个或一个以上满足时结果就发生”的逻辑关系称或（Or）逻辑。或门电路满足或逻辑关系。或逻辑也称为逻辑加、或运算。通常用符号“＋”来表示，设A、B、F分别为逻辑变量，则或运算的表达式可写成以下形式：F＝A＋B上式读作F等于A或B。逻辑或的含义是：只有输入变量A、B中有一个或一个以上为1，输出变量F就为1；反之，只有A、B全为0时，F才为0。换言之，也就是“有1出1，全0出0”。这一结论也适合于有多个变量参加的或运算。表4-3列出了图4-7所示电路输入与输出逻辑电平的关系。表4-4为上述或门的真值表。FD1D2ABRFAB≥1A(V)B(V)F(V)003303030333ABF001001010111图4-7二极管或门电路及符号表4-3电路的逻辑电平表4-4电路的真值表4.2特殊二极管除了上述普通二极管外，还有一些特殊二极管，如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等，分别介绍如下。4.2.1稳压管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作用。图4-8（a）为稳压管在电路中的正确联接方法；图（b）和图（c）为稳压管的伏安特性及图形符号。稳压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在PN结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏。从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较