6.3二極管及其應(yīng)用電路《第六章二極管及整流電路》二極管及其應(yīng)用電路收音機(jī)從電波中提取出音頻信號，使我們從耳機(jī)或喇叭中聽到廣播節(jié)目直流充電器將交流電變?yōu)橹绷麟娺@些功能的實(shí)現(xiàn)都依賴二極管的獨(dú)特作用。常用二極管檢波二極管發(fā)光二極管貼片二極管學(xué)習(xí)目標(biāo)1.熟悉二極管的結(jié)構(gòu)和類型2.掌握二極管的伏安特性和主要參數(shù)3.掌握二極管的簡化模型和簡單應(yīng)用電路6.3.1基本結(jié)構(gòu)與類型基本結(jié)構(gòu)晶體二極管（簡稱二極管）是具有一個PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，其基本結(jié)構(gòu)是將PN結(jié)兩端各加上一根電極引線，再用管殼封裝組成，如圖所示。二極管的兩根引線分別稱為正極和負(fù)極，也稱陽極和陰極，P型半導(dǎo)體一側(cè)引出的電極稱為正（陽）極，N型半導(dǎo)體一側(cè)引出的電極稱為負(fù)（陰）極。6.3.1基本結(jié)構(gòu)與類型

類型按所用半導(dǎo)體材料分硅二極管和鍺二極管；按用途分普通二極管和特殊二極管，通常二極管是指普通二極管按內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三類。6.3.1基本結(jié)構(gòu)與類型

類型點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管如圖所示，是由一根金屬絲與半導(dǎo)體表面相接觸，經(jīng)過特殊工藝，在觸點(diǎn)上形成PN結(jié)，做出引線，加上管殼封裝而成。優(yōu)點(diǎn)：PN結(jié)面積很小，因此結(jié)電容很小，一般在1pF以下，適用于在高頻（可達(dá)1000MHz以上）信號下工作。缺點(diǎn)：不能承受較高的正向電壓和通過大的正向電流。6.3.1基本結(jié)構(gòu)與類型

類型面接觸型二極管面接觸型二極管如圖所示，其PN結(jié)是采用合金法工藝制作的，PN結(jié)面積較大，結(jié)電容也較大，因此，它能通過較大的正向電流，且反向擊穿電壓高，工作溫度也較高，但其工作頻率低，所以多用在大功率低頻整流電路中。6.3.1基本結(jié)構(gòu)與類型

類型平面型二極管平面型二極管如圖所示，采用硅擴(kuò)散法工藝制作而成，用二氧化硅做保護(hù)層，大大減少了PN結(jié)兩端的漏電流，質(zhì)量好，批量生產(chǎn)中產(chǎn)品性能較一致。平面型二極管結(jié)面積較小的用作高頻管或開關(guān)元件，結(jié)面積較大的用作大功率調(diào)整管。根據(jù)二極管的不同結(jié)構(gòu)類型，分別用于檢波、整流、限幅、開關(guān)、穩(wěn)壓等電路中。6.3.1基本結(jié)構(gòu)與類型

類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號二極管的符號如圖所示，其中左邊符號為國標(biāo)符號，右邊符號為國際符號。二極管符號形象地表示了電流流動的方向，即電流只能從正極流向負(fù)極，而不允許反方向流動。

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號6.3.2伏安特性與主要參數(shù)

伏安特性二極管的伏安特性是指二極管兩端的電壓和流過二極管的電流之間的函數(shù)關(guān)系，其伏安特性和PN結(jié)的伏安特性基本相似。正向特性如圖中的a段所示，曲線正向特性的起始部分稱為死區(qū)，由于外加正向電壓（P正N負(fù)）較小，不足以削弱PN結(jié)的內(nèi)電場，因而這時的正向電流幾乎為零，二極管呈現(xiàn)出一個大電阻，好像有一個門檻，使正向電流從零開始明顯增大的外加電壓稱為門檻電壓二極管的伏安特性曲線

6.3.2伏安特性與主要參數(shù)鍺管的約為0.1V，硅管的約為0.5V。當(dāng)外加正向電壓大于后，正向電流迅速增大，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)，電阻小，電流大。此時，若正向電流在一定范圍內(nèi)變化，正向管壓降基本不變，其導(dǎo)通電壓鍺管約為0.2~0.3V，硅管約為0.6~0.8V。利用Multisim仿真得到的二極管正向伏安特性曲線圖利用Multisim仿真測試得到的二極管正向伏安特性曲線，如圖所示。6.3.2伏安特性與主要參數(shù)反向特性在反向電壓（P負(fù)N正）作用下P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子（電子）和N型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子（空穴）很容易通過PN結(jié)，形成反向電流。由于管殼漏電流的影響，二極管的反向電流比理想PN結(jié)的大，但總數(shù)值仍然很小，二極管進(jìn)入反向截止區(qū)。二極管反向特性如圖中b段所示。一般情況下，硅管的反向電流比鍺管的反向電流小得多，所以硅管的溫度穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于鍺管。二極管的伏安特性曲線

6.3.2伏安特性與主要參數(shù)反向擊穿特性當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值后，反向電流劇增，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿，如圖中c段所示，其原因和PN結(jié)反向擊穿相同。環(huán)境溫度的變化對二極管的伏安特性影響較大，其規(guī)律與PN結(jié)的溫度特性相似。二極管的伏安特性曲線

綜上所述，二極管具有加正向電壓導(dǎo)通、加反向電壓截止的特性，即單向?qū)щ娦浴?.3.2伏安特性與主要參數(shù)主要參數(shù)半導(dǎo)體器件的參數(shù)是對其特性和極限運(yùn)用條件的定量描述，是設(shè)計(jì)電路時正確選擇和合理使用器件的依據(jù)。因此，正確理解參數(shù)的物理意義及其數(shù)值范圍非常重要。最大整流電流二極管長期正常工作時，允許通過的最大正向平均電流。因?yàn)殡娏魍ㄟ^PN結(jié)要引起管子發(fā)熱，電流太大，發(fā)熱量超過限度，就會使PN結(jié)燒壞。使用中為確保安全，應(yīng)選用大于電路實(shí)際電流值的二極管，否則極不安全，將損壞二極管。6.3.2伏安特性與主要參數(shù)最高反向工作電壓反向加在二極管兩端而不引起PN結(jié)擊穿的最大安全工作電壓。如果實(shí)際工作電壓的峰值超過，二極管有可能被擊穿損壞。為確保安全工作，一般手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。反向電流二極管加反向工作電壓未被擊穿時的反向電流值。其值越小，二極管單向?qū)щ娦阅茉胶谩５欠聪螂娏髦禃S溫度的上升而顯著增加，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加以注意。一般Si管的比Ge管小，所以Si管的溫度穩(wěn)定性比Ge管好。6.3.2伏安特性與主要參數(shù)最高工作頻率保證二極管單向?qū)щ娮饔玫淖罡吖ぷ黝l率。當(dāng)工作頻率超過時，二極管的單向?qū)щ娦阅芫蜁儾?，甚至失去單向?qū)щ娦?。主要由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定，結(jié)電容越大，

就越小。由于結(jié)電容很小，對低頻工作影響很小，當(dāng)工作頻率升高時，其影響就會增大，所以在作檢波使用時，應(yīng)選用至少兩倍于電路實(shí)際工作頻率的二極管，否則不能正常工作。點(diǎn)接觸型鍺管由于其PN結(jié)面積比較小，故結(jié)電容很小，通常小于1pF，其最高工作頻率可達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz，而面接觸型硅整流二極管，其最高工作頻率只有3kHz左右。6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路簡化模型理想模型作為理想開關(guān)正向?qū)〞rUD=0，二極管相當(dāng)于短路，其正向壓降UF和正向電阻RF可以忽略反向截止時IS=0，二極管相當(dāng)于斷路6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路簡化模型理想模型伏安特性圖特性曲線中虛線是實(shí)際二極管的伏安特性粗實(shí)線是理想模型的等效伏安特性用于對電路（整流電路、開關(guān)電路）作定性分析和粗略估算6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路簡化模型恒壓降模型恒壓降模型中，忽略二極管導(dǎo)通電阻，即rD=0導(dǎo)通時二極管兩端管壓降恒定值UD=Uon截止時IS=0，二極管相當(dāng)于斷路6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路簡化模型恒壓降模型伏安特性圖特性曲線為粗實(shí)線部分用于在RF和IS可以忽略的情況下，對電路進(jìn)行分析或估算6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路簡化模型微變等效電路模型伏安特性圖求動態(tài)電阻rd，只考慮二極管兩端的電壓在某一固定值附近作微小變化時所引起的電流變化，可以用曲線在該固定值處的切線來近似這一小段曲線。6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路簡化模型由求導(dǎo)數(shù)得所以6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路簡化模型常溫下，為溫度電壓當(dāng)量，所以（IDQ為二極管的靜態(tài)電流）可見，二極管的動態(tài)電阻可用靜態(tài)電流來計(jì)算，且ID增大時，rd變小6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路簡化模型正偏時rd一般為幾歐姆到幾十歐姆，反偏時rd為幾百千歐到幾兆歐該模型主要用于二極管處于正向偏置，且UD>>UT條件下的交流動態(tài)分析6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路應(yīng)用電路利用二極管單向?qū)щ娦?，可?shí)現(xiàn)將交流電變?yōu)閱畏较虻拿}動電壓，此時二極管作為整流元件使用，直流充電器中的二極管即是如此利用二極管單向?qū)щ娦裕蓪?shí)現(xiàn)削波功能，收音機(jī)的檢波二極管就是這樣工作利用二極管正向?qū)ê螅穗妷夯揪S持不變的特性，可用于限幅電路利用二極管的溫度效應(yīng)，在有關(guān)電路中作為溫度補(bǔ)償元件使用，還可作為溫度傳感器用于溫度測量中6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路【例1】設(shè)電源電壓us=10sinωt(V)，二極管采用理想模型，試分析電路輸出電壓uo，并畫出其波形。半波整流電路解：一般分析含有二極管的電路，先假設(shè)D斷開，求出二極管兩端的電位VP（P端電位）、VN(N端電位），據(jù)此判斷二極管的狀態(tài)。6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路若二極管采用理想模型當(dāng)VP>VN時，連接后D正偏，正向?qū)?，VD=0，二極管相當(dāng)于短路當(dāng)VP≤VN時，連接后D反偏，反向截止，ID=0，二極管相當(dāng)于斷路若二極管采用恒壓降模型當(dāng)VP≥VN+Uon時，連接后D正偏，正向?qū)?，UD=Uon，二極管相當(dāng)于導(dǎo)通當(dāng)VP＜VN+Uon時，連接后D反偏，反向截止，ID=0，二極管相當(dāng)于斷路6.3.3二極管的簡化模型及應(yīng)用電路解：此例中D用理想二極管替代，假設(shè)D斷開，VP=us，VN=0V

當(dāng)us