第一章常用半导体器件 、由伏安特性折线化得到的等效电路 由伏安特性折线化得到的等效电路如图1.2.4所示,图中粗实线为折线化 的伏安特性,虚线表示实际伏安特性,下边为等效电路。 图(a)所示的折线化伏安特性表明二极管导通时正向压降为零,截止时反向 电流为零,称为理想二极管,用二极管的符号去掉中间横线表示。 图(b)所示的折线化伏安特性表明二极管导通时正向压降为一个常量U。, 截止时反向电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源U。。 图(c)所示的折线化伏安特性表明当二极管正向电压u大于U后其电流 与u成线性关系,直线斜率为1/r二极管截止时反向电流为零。因此等效电 路是理想二极管串联电压源Ua和电阻r,且rp=△U/△l 一外‖" (b) 图1.2.4由伏安特性折现线化得到的等效电路 (a)理想二极管(b)正向导通时端电压为常量(c)正向导通时端电压与电流成线性关系 在图1.2.5所示电路中,若电压源v远大于二极管的导通电压U,则可以 认为电阻R上电压U约等于电压源电压V,即认为二极管具有图1.24(a)所 示特性,回路电流I≈V/R。 因为二极管导通电压的变化范围很小,因而多 数情况下可以认为图1.2.5所示电路中的二极管 具有图1.24(b)所示特性,对于硅管,可取UD= UR Uon=0.7V;对于锗管,可取U=Uo=0.2V;因 而回路电流IV-V R 图1.2.5二极管加正向电压 为使计算出的回路电流Ⅰ更接近实际情况,可 的情况 以选择图1.2.5所示电路中的二极管具有图1.24(c)所示的特性,此时回路电
12半导体二极臂 V-U 流I R 在近似分析中,三个等效电路中以图(a)误差最大,图(c)误差最小,一般情 况下多采用图(b)所示电路。 【例12.1】电路如图1.2.6所示,二 极管导通电压U约为0.7V。试分别估算 开关断开和闭合时输出电压的数值。 解:当开关断开时,二极管因加正向电 (6v) 压而处于导通状态,故输出电压 (12V) Uo=V1-U≈(6-0.7)V=5.3V 当开关闭合时,二极管外加反向电压, 因而截止,故输出电压 图1.2.6例1.21电路图 Uo V2=12 V 二、二极管的微变等效电路 当二极管外加直流正向偏置电压时,将有一直流电流,曲线上反映该电压和 电流的点为Q点如图1.2.7(a)中所标注。若在Q点基础上外加微小的变化 量,则可以用以Q点为切点的直线来近似微小变化时的曲线,如图12.7(a)所 示即将二极管等效成一个动态电阻ra,且rs=△D/△ip,如图(b)所示,称之为 二极管的微变等效电路。由于二极管正向特性为指数曲线所以Q愈高,r4的 数值愈小,利用二极管的电流方程可以求出rd △olb △ar 图1.2.7二极管的微变等效电路图 (a)二极管动态电阻的物理意义(b)二极管的动态电阻 1 △19≈auD -1 du (1.2.1)
第一章常用半导体器件 式中ⅠD是Q点的电流。 对于图1.2.8所示电路,在交流信号1幅值较小的情况下,wF的波形如图 1.2.9所示,它是在一定的直流电压的基础上叠加上一个与u;一样的正弦波, 该正弦波的幅值决定于r4与R的分压。图中标注的Up是直流电压源V单独 作用时二极管的正向压降。 y-Up 图12.8直流电压源和交流电压源 图1.2.9图1.2.8所示电路的 同时作用的二极管电路 波形分析 1.2.5稳压二极管 稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管,简称稳压管。稳压 管在反向击穿时在一定的电流范围内(或者说在一定的功率损耗范围内),端电 压几乎不变,表现出稳压特性,因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。 、稳压管的伏安特性 稳压管有着与普通二极管相类似的伏安特性,如图1.2.10(a所示,其正向 特性为指数曲线。当稳压管外加反向电压的数值大到一定程度时则击穿,击穿 区的曲线很陡,几乎平行于纵轴,表现出很好的稳压特性。只要控制反向电流不 超过一定值,管子就不会因过热而损坏。 稳压管的符号及等效电路如图(b所示。在等效电路中,二极管D1表示稳 压管加正向电压及虽加反向电压但未击穿时的情况,理想二极管、电压源Uz和 电阻r的串联支路表示稳压管反向击穿时的等效电路。 、稳压警的主要参数 (1)稳定电压Uz:Uz是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。由于半导
12半导体二极管 19 乙M (b) 图1.2.10稳压管的伏安特性和等效电路 (a)伏安特性(b)符号和等教电路 体器件参数的分散性,同一型号的稳压管的Uz存在一定差别。例如,型号为 2CW11的稳压管的稳定电压为32~4.5V。但就某一只管子而言,Uz应为确 定值。 (2)稳定电流z:lz是稳压管工作在稳压状态时的参考电流,电流低于此 值时稳压效果变坏,甚至根本不稳压,故也常将Iz记作l2am。只要不超过稳压 管的额定功率,电流愈大,稳压效果愈好。 3)额定功耗P2M:PM等于稳压管的稳定电压Uz与最大稳定电流I2M (或记作Ⅰ1)的乘积。稳压管的功耗超过此值时,会因结温升过高而损坏。对 于一只具体的稳压管,可以通过其Pn的值,求出I2M的值 (4)动态电阻r2:r是稳压管工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化 量之比,即ΔUz/ΔIz。r2愈小,电流变化时Uz2的变化愈小,即稳压管的稳压特 性愈好。对于不同型号的管子,r将不同,从几欧到几十欧。对于同一只管子, 工作电流愈大,r,愈小 (5)温度系数a:a表示温度每变化1℃稳压值的变化量,即a=△Uz△T。 稳定电压小于4V的管子具有负温度系数(属于齐纳击穿),即温度升高时稳定 电压值下降;稳定电压大于7V的管子具有正温度系数(属于雪崩击穿),即温度 升高时稳定电压值上升;而稳定电压在4~7V之间的管子,温度系数非常小,近 似为零(齐纳击穿和雪崩击穿均有)。 由于稳压管的反向电流小于Iam时不稳压,大于la时会因超过额定功耗 而损坏,所以在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流从而保证稳压管正 常工作,故称这个电阻为限流电阻。只有在R取值合适时稳压管才能安全地
0 第一章常用半导体器件 工作在稳压状态。 【例1.22}在图12.11所示稳压管稳压电路中,已知稳压管的稳定电压 Uz=6V,最小稳定电流I2m=5mA,最大稳定电 流Izmx=25mA;负载电阻R1=600Q。求解限流9 电阻R的取值范围。 In 解:从图1.2.11所示电路可知,R上电流G-10y D本 IR等于稳压管中电流lb和负载电流IL之和,即I =In2+I1,其中Ip=(5-25)mA,L=UzRL= (6/600A=0.01A=10mA,所以IR=(15~图1.2,11稳压管稳压电路 35)mA R上电压Uk=U1-Uz=(10-6)V=4V因此 R 4 IRc15×102≈227 R 9≈114 限流电阻R的取值范围为114~227g。 1.26其它类型二极管 、发光二极管 发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型,这里只对可见光发光 极管做一简单介绍。发光二极管的发光颜色决定于所用材料,目前有红、绿、 黄、橙等色,可以制成各种形状,如长方形,圆形 [见图1.2.12(a)所示]等。图1.2.12(b)所示为 发光二极管的符号。 发光二极管也具有单向导电性。只有当外加 的正向电压使得正向电流足够大时才发光,它的 (b)开启电压比普通二极管的大,红色的在16~ 1.8V之间,绿色的约为2V。正向电流愈大,发光 图12.12发光一极管愈强。使用时,应特别注意不要超过最大功耗、最 (a)外形(b)符号 大正向电流和反向击穿电压等极限参数。 发光二极管因其驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高等优点广泛用于显 示电路之中