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1、13 晶体二极管及其应用,二极管的结构,二极管的电路符号,二极管符号中的箭头方向就是二极管正向电流的方向,点接触型和面接触型,13 1 晶体二极管的伏安特性,1 二极管的理想伏安特性方程,电流与端电压之间的关系,PN结伏安特性方程,uD是加在二极管上的端电压，UT为热电压当量，UTkT/q,（当T300K时UT 26mV）。IS即为PN结反向饱和电流，与少数载流子浓度有关,正偏时取uD0，反偏时uD代入负值,正偏PN结存在着一个导通电压UON ，称为二极管的正向开启（死区或门限）电压,PN结的伏安特性曲线,（1）正偏PN结伏安特性方程,二极管的正偏伏安特性方程,Ge,Si,当uD05V时，正向
2、电流实际很小，不能认为PN结真正导通,而当uD06V以后，正向电流急剧增大，PN结呈现较陡的伏安特性,硅PN结导通电压为07V,锗PN结导通电压为03V,正偏时（即uD0）， 且当uD4UT时,PN结的伏安特性曲线,（2)反偏PN结伏安特性方程,反偏时（即uD0）， 且当uD-4UT时，,二极管的反偏伏安特性方程,反向电流不随反向偏压而变化，反偏时PN结仅有很小的反向饱和电流，相当于截至、可看成一个高阻抗的元件,硅（Si）PN结的反向饱和电流IS在1091015A量级，锗（Ge） PN结IS在uA量级,二极管反偏时，Ge管的反向饱和电流至少比Si管大三个数量级以上,温度增加时，二极管的反向饱和
3、电流明显增大,T2 T1,每温升10，反向饱和电流增大约一倍,温度升高时，正向伏安特性曲线左移,当温度增加时，正向电流也会增大,（3） 反向击穿现象及原因,当PN结反偏电压增大到一定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿,反向击穿发生时的电压值U(BR) 称为反向击穿电压,导致出现反向击穿的原因有下面两种：, 雪崩击穿（价电子被碰撞电离）, 齐纳击穿（价电子被场致激发）, 两种击穿的特征,雪崩击穿电压较高，一般高于6V。温度升高时，击穿电压增大,齐纳击穿电压较低，一般小于4V。温度升高时，击穿电压减小,击穿发生时只要限制电流的大小，以防结温过高,132 二极管的直流电阻和交流电阻
4、,1直流电阻RD,一般把加在二极管上的直流偏置电压UD和直流偏置电流ID称为二极管的工作点（Q）,二极管的直流电阻RD定义为：该工作点处的直流电压和直流电流的比值,即RDl =UD1/ID1 ，RD2 = UD2/ID2 。显然，RD2RDl,二极管反偏时因电流极小，故反偏时直流电阻很大,2交流电阻rd,在二极管将工作点处电压的微变增量与相应的电流微变增量的比值称为二极管在该点处的交流电阻rd,二极管在工作点（Q）处的交流（动态）电阻rd被表示为,rd UI,对线性电阻而言，直流电阻与交流电阻其值相同。二极管的交流电阻rd与直流电阻RD是两个不相同的概念,3二极管的其他参数,最大平均整流电流I
5、F,最大反向工作电压UR ：,二极管反偏电压过大可能发生反向击穿,UR在数值上应小于反向击穿电压U（BR）,反向电流IR ：IR就是反向饱和电流IS,最高工作频率fM,133 二极管模型,1.二极管伏安特性的分段线性近似模型,(1)理想开关模型,模型,正偏时正向电压为零反偏时反向电流为零,单向,适用于UDUON,二极管反偏，或正偏电压小于导通电压UON时，二极管截止，电流为零；,当二极管导通后，其端电压维持UON不变。,伏安特性曲线,(2)恒压源模型,适用直流电压,二极管电压uDUON时，iD=0,当uDUON时，二极管导通，且交流电阻rd不变,伏安特性曲线,模型,适用于分析含二极管的大信号电
6、路,(3) 折线近似模型,适用低频大信号分析,例11,Si二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如图125所示。求二极管工作点UD和ID的值。,ID,UON,R,D,E,3V,300,图125 二极管直流电路,解：将二极管用恒压源模型近似后求解电路。,对于导通的Si管，可取UD UON 07V，由此可算出,2.二极管的交流小信号模型,Q点附近的一定范围内伏安特性曲线可近似看成直线，,交流电压ud和电流id之间的关系可用一个线性电阻来近似，这就是二极管的小信号模型。,二极管小信号模型就是工作点处的交流电阻rd，,二极管的交流小信号模型,若在例l1电路中串联一个电压源u（t）100sin2l0
7、 4t(mV)，估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值Udm和Idm (T=300K) 。,例12,+ -,解：当正弦电压源未加上， 即u(t)0V时，二极管的工作点UD=070V，ID=767mA，,rdUTID =26mV76mA =339,当加上正弦电压u(t)后,iD=ID+id,由此等效电路可求出,Idm=Um(R+rd),=100(300+339)033(mA),Udmrd Idm112(mV),当| ui (t)| UON时，D1和D2均未导通，视为开路，故限流电阻R上电流为零，此时uo(t)=ui(t),当ui (t) UON时，D1导通(D2仍截止)，使uo(t)保持07
8、V不变,当ui(t) -UON时，D2导通(D1截止)，uo(t)保持在-07V不变,134 二极管应用电路举例,1二极管限幅电路,假设输入信号ui (t)是振幅为3V的正弦电压,Si二极管D1和D2可以用恒压源近似(UON 07V),这是一种双向限幅电路,限幅电路在脉冲电路中常用作波形变换，如将正弦电压变为方波。在模拟电子设备中，限幅电路可作保护电路。例如接收机输入端在遇到强电压干扰时，可能造成电路不能正常工作甚至损坏设备。若在输入端加入限幅器，则可避免这种情况。对正常接收的信号，由于输入信号幅度很小，限幅器并不起作用。,2二极管钳位电路,钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路,ui(
9、t)是幅度为25V的方波,当ui(t)为负半周时，二极管导通,由于二极管导通电阻RD很小，使电容C被迅速充电到ui(t)的峰值电压25V (应满足条件：T2比RDC大数倍，T为输入方波的周期)。,当ui(t)为正半周时，二极管截止，电容无法放电， uo(t) = ui(t)+ 25V= 5V,当ui(t)下一个负半周到来时，因电容上电压已是25V，使二极管上电压为 uo(t) = ui(t)+ 25V=0 V，二极管仍然不会导通,实际电路在二极管反偏截止时会有一个等效的反偏电阻RR，这使得在ui (t)的正半周二极管截止时电容会经RR放电，当ui(t)负半周到来时电容又被充电到峰值，即电容上的
10、电压是脉动的。即出现波形失真。,但只要RRRD，这种失真并不大,钳位电路有时也叫直流恢复电路,采用钳位电路就能将行同步脉冲的顶部“钳”在同一电平上,135 稳压管及其应用,死区,击穿区,二极管的反向击穿特性曲线非常陡直,击穿电压十分稳定,在击穿区的工作点上交流电阻很小,稳压管就是一种专门工作在反向击穿状态的二极管,稳压管工作时负极要接高电位，并使其击穿,IZmin,IZmax,UZ,(1 ) 稳压管参数,稳定电压UZ,UZ,在规定测试电流(如50mA)下的反问击穿电压,最小稳定电流IZmin,IZmin,击穿电流大于该值后稳压性能才好,最大稳定电流IZmax,IZmax,击穿电流不允许超过该值
11、，否则稳压管会因管耗过大而烧坏(此时管耗PZUZ IZmax),动态电阻rz,在(IZmin IZmax)范围内，稳压管交流电阻的典型值,rz越小的管子稳压性能越好,电压温度系数,UZ7V的稳压管一般为雪崩击穿型，为正，Uz4V的稳压管一般为齐纳击穿型，为负,UZ在4V7V之间的稳压管一般为混合击穿型,2 稳压管电路,RL是用电负载,R称为限流电阻,输入电压UI必须大于击穿电压,整流滤波电路,Uo =UZ=UI - (IZ+IL)R,当RL一定,设UI,UZ,IZ,(IZ+IL)R,使输入电压增量的绝大部分都降落在电阻R上,Uo变化很小,当UI一定,设RL,IL,IZ,(IZ+IL)R,Uo变
12、化很小,UZ,选择稳压管时应注意,IZmin,IZmax,IZ不能过大，应使IZIZmax,IZ也不能太小，应使IZIZmin ，否则不能稳定输出电压,限流电阻值R必须满足下列关系,(1)当UI=UImax和IL=ILmin（即RL=RLmax）时,IZ= IRmax-ILmin IZmax,(2) 当UI=UI min和IL=ILmax (即RL=RLmin)时,IZ=IRmin-ILmax IZmin,作业 1.1 , 1.3(a) (d), 1.4(a) (b), 1.6, 1.8, 1.9,判断二极管通断的方法,（1）设二极管断开,（2）求二极管两端的电压UX,（3）UXUON则导通，实现电压为UON,（4）UXUON则截止,（5）承受大电压者优先导通,解：UD10=15V UON D1导通,UD20=-12-（-15）=3V UON D2导通,UD10 UD20 D1优先导通,故UA=- UON=-0.7V,UD20=-12-UA=-12-(-0.7）=-11.3V UON D2截止,故 D1导通D2截止,