2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体二极管及其基本应用电路

半导体二极管及其基本应用电路 半导体二极管及其基本应用电路 二极管的伏安特性 二极管的等效电路及其分析方法 基本应用电路 1、正向特性 硅二极管的死区电压Uth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Uth=0.1 V左右。 当0＜U＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。 当U＞0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段： 当U＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。 二极管的伏安特性 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。 发生击穿并不一定意味着ＰＮ结被损坏。当 PN结反向击穿时, 只要注意控制反向电流的数值 (一般通过串接电阻Ｒ实现), 不使其过大, 以免因 过热而烧坏ＰＮ结, 当反向电压(绝对值)降低时, ＰＮ结的性能就可以恢复正常。 式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降，UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。 半导体二极管的伏安特性曲线如图3.9所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示 (1.1) 图 3.9 二极管的伏安特性曲线 3、伏安特性的数学表示 （1）uD>0时PN结正向偏置， （2） uD<0时PN结反向偏置， 当温度一定时，反向饱和电流是个常数IS。 二极管的主要参数 半导体二极管的主要参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最高反向工作电压UR、反向电流IR、最高工作频率fM和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下： (1) 最大整流电流IF—— 二极管长期连续工 作时，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结的结面 积、材料和散热情况。 (2) 反向击穿电压UBR——— 和最大反向工作电压UR 为安全计，在实际 工作时，最大反向工作电压 UR一般只按反向击穿电压 UBR的一半计算。 (3) 反向电流IR (4)最高工作频率fＭ 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。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。 信号频率超过此值时，结电容的容抗变得很小，使二极管反偏时的等效阻抗变得很小，于是，二极管的单向导电性能将变坏。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。 二极管的等效电路及其分析方法 1、图解分析法—无需进行复杂的指数或对数运算（要求二极管伏安特性已知） 例3.1设简单二极管基本电路如图３.10（ａ）所示，已知Ｒ＝２ｋΩ，ＵＤＤ＝５Ｖ。二极管伏安特性曲线如图３-１２（ｂ）所示，试用图解分析法求该电路的Ｑ 点。 图３.10 2、模型分析法 1）折线近似法 （1）理想模型 （2）恒压降模型 （3）折线模型 2)小信号模型 二极管小信号模型的微变等效电阻 3.2.3 基本应用电路 1、整流电路 2、限幅电路 3、开关电路 图 3.11 稳压二极管的伏安特性 (a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路 (b) (c) (a) $