2. 二极管及其应用

本章总结

关键术语

偏置：将直流电压应用在二极管或者其他电子器件上，使其处于期望的工作模式中。

钳位电路：为交流信号添加直流电平的一种电路，也叫做直流还原器。

二极管：只允许电流单向通过的一种电子器件。

电子：物体中带有负电荷的基本粒子。

能量：做功的能力。

滤波器：一种电子电路，可以让某些频率通过而阻止其他的频率。

正向偏置：能让pn结流过电流的条件。

集成电路(IC)：所有元器件都构建在单块微型硅片上的一种电路。

限幅器：将波形中高于或者低于规定电平的部分移除的一种电路，也叫做削波器。

pn结：p型材料和n型材料之间的边界。

整流器：将交流转换成直流的一种电子电路。

反向偏置：让 pn结阻止电流通过的条件。

半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的一种材料，例如硅和锗。

重要公式

2.1 半导体原子结构

本节问题

1. 在一块本征半导体中，自由电子存在于哪个能带中?空穴存在于哪个能带中?

导带；价带。

2. 在一块本征半导体中，空穴是如何产生的?

电子因受热升高至导带在价带留下空位(空穴)

3. 为什么半导体比绝缘体更容易产生电流?

半导体中价带和导带之间的间隙比绝缘体中的间隙窄。

2.2 pn结

本节问题

1．如何形成n型半导体?

通过向半导体材料中掺入5价的杂质

2．如何形成p型半导体?

通过向半导体材料中掺入5价的杂质

3．什么是pn结?

p型材料和n型材料之间的边界

4．硅的势垒电压是多少?

0.7v

2.3 半导体二极管的偏置

2.3.1 正向偏置

在电子学中，术语偏置是指给半导体器件外加固定直流电压的工作条件。

正向偏置是允许电流流过pn结的条件。

电源的负极连接到n区(阴极端)，电源的正极连接到p区(阳极端)。

当半导体二极管正向偏置时，二极管的阳极电位比其阴极电位高。

2.3.2 反向偏置

反向偏置是阻止电流流过pn结的偏置条件。

电源负极连接p区，电源正极连接n区。

当半导体二极管反向偏置时，二极管的阳极电位比其阴极电位低。

峰值反向电压(PIV)当一个二极管反向偏置时，它必须承受住加在两端之上的最大反向电压，否则二极管会被击穿，二极管的这个最大额定电压称为峰值反向电压(PIV)

本节问题

1. 两种偏置条件分别是什么?

正向，反向

2. 哪种偏置条件会产生多数载流子电流?

正向

3. 什么偏置条件会产生更宽的耗尽区?

反向

4. 什么是雪崩击穿?

在二极管上施加足够的反偏电压时，电流会急剧增加

2.4 二极管特性

2.4.1 二极管符号

二极管的两极是A和K，A是阳极，K是阴极。箭头符号总是指向阴极。

2.4.2 二极管特性曲线

当正向偏置电压(Ve)低于势垒电势时，没有正向电流(IF)。

当正向偏置电压接近势垒电势的值时(通常硅是0.7V，锗是0.3v)，流过二极管的电流开始增大。

一旦正向偏置电压大于势垒电势，正向电流随着偏置电压增大而急剧增大，必须靠限流电阻来限制电流。正向偏置二极管的端电压

2.4.4 二极管的模型

理想模型

模拟二极管原理最简单的方法就是把二极管看成一个开关。

理想情况下，当二极管正向偏置时，相当于开关闭合；当二极管反向偏置时，相当于开关断开。

偏移模型

偏移模型精度更高一点的模型是偏移模型。偏移模型考虑了二极管的势垒电势。

在这个模型中，正向偏置的二极管等效于一个闭合的开关串联一个小“电池”，这个电池的电压值等于势垒电势。

偏移-电阻模型：给出了正向偏置二极管的等效电路，它由势垒电势和一个较小的正向电阻构成。正向电阻实际上是一个交流电阻。

在偏移-电阻模型中，反向偏置情况用一个非常大的并联电阻来表示，结果就是产生的反向电流非常小。

本节问题

1. 二极管工作的两种条件是什么?

正向偏置和反向偏置

2. 二极管特性曲线的哪个区域不是普通二极管的工作区间?

反向击穿区

3. 二极管最简单的模型是什么?

作为一个开关

4. 在二极管偏移-电阻模型中考虑了哪两种近似情况?

势垒和正向(体)电阻

2.5 整流器

由于二极管在一个方向上允许电流通过，而在另一个方向上阻止电流通过，因此二极管通常用在电路(整流器)中，把交流电压转换成直流电压。

由交流电压源变成直流电压源中都需要整流器，从最简单的电子系统到最复杂的电子系统，电源是它们基本的部分。

本节将学习三种基本的整流器——半波整流器、中间抽头全波整流器、全波桥式整流器。

2.5.1 半波整流器

整流器是一个可以把交流转换成脉动直流的电子电路。

在一个半波整流器中，一个交流源与一个二极管和一个负载电阻串联。

当正弦波输入电压为正时，二极管是正向偏置的，流过的电流送到负载电阻上

输出电压 = 峰值电压 - 管压降(0.7v)。

2.5.2 全波整流器

全波整流器和半波整流器的区别就是：全波整流器在整个输入周期允许单向电流流过负载，而半波整流器只在半个周期内允许电流流过负载。

全波整流后的结果是一个按照输入电压半个周期的节拍重复输出的直流电压。

中间抽头全波整流器：中间抽头(CT)全波整流器使用两个二极管连接到一个中间抽头变压器的二次侧

峰值反向电压(PIV)：全波整流器中的每个二极管都交替地处于正向偏置和反向偏置状态。每个二极管需要承受的最大反向电压是整个二次电压的峰值(V)。中间抽头全波整流器中每个二极管的峰值反向电压是

PIV = V_p(out)


2.5.3 桥式整流器

桥式整流器是全波整流器的一种，它每次把正弦波的一半传送到输出负载上。

本节问题

1. 当输入电压和变压器匝数比相同时，哪种类型的整流器(半波、全波、桥式)具有最大的输出电压?

电桥

2. 当输出电压固定时，桥式整流二极管的PIV是小于、等于、还是大于中间抽头二极管的PIV?

较少

3. 当半波整流器具有正的输出时，在输入周期的哪一点上产生PIV?

负峰值的变化

4. 对一个半波整流器，电流流过负载的时间大约占输人周期的百分之多少?

50%(没有滤波器)

2.6 整流滤波器和IC稳压器

电源滤波器大大地减小了整流器输出电压的波动，形成了幅度接近恒定的直流电压。

滤波的原因是电子电路需要恒定的直流电压源和直流电流源来提供电功率与偏置，使得电路能正常工作。

2.6.1 电容输入滤波器

纹波电压：正如你看到的一样，电容在一个周期的开始快速地充电，在正峰值以后通过R_L慢慢地放电(当二极管反向偏置时)。由于充电和放电会引起电容电压的变化，这种变化会形成纹波电压。纹波电压越小，滤波效果越好。

2.6.2 IC稳压器

当滤波器可以将电源的纹波降低到很小时，最有效的滤波器是将电容输入滤波器和IC稳压器组合起来运用。通常，IC(集成电路)是在一个小的硅芯片上构建的功能完整的电路。

IC稳压器是一块连接到整流器输出端的IC，即使输入、负载电流或温度发生变化，它也能始终保持输出电压(或电流)的恒定。电容滤波器使得稳压器的输入纹波降低到了一个合适的值。

一个大电容和一个IC稳压器的组合价格不贵，但能有助于产生一个很好的小电源。

2.6.3 百分比调整率

用表示成百分比的度量数值来描述稳压器的性能好坏。

百分比调整率可以用输入(线路)调整率或负载调整率来表示。

线路调整率规定为给定的输入电压变化引起多少输出电压变化。它通常定义为输出电压变化和相应输入电压变化的百分比。

负载调整率规定为负载电流在一定范围内变化时，输出电压的变化有多大。负载电流变化范围通常从最小电流(空载，NL)到最大电流(满载，FL)。

本节问题

1. 什么造成了电容输入滤波器输出端的纹波电压?

电容的充电和放电

2. 减小电容滤波全波整流器的负载电阻会对纹波电压有什么影响?

增加纹波

3. 三端稳压器的优点是什么?

更好的波纹抑制、线路调整率和负载调整率以及热保护

4. 输入(线路)稳压和负载稳压的区别是什么?

线路调整率：对于变化的输入电压，输出恒定电压 负载调整率：对于变化的负载电流，输出恒定电压

2.7 二极管限幅电路和钳位电路

有时用称为限幅器或削波器的二极管电路来对信号电压高于或低于某值的部分进行限幅。

另一种称为钳位器的二极管电路常用来将直流电平还原成电信号。

2.7.1 二极管限幅器

它用来限制或削掉输入信号的正部分。当信号变为正的时候，二极管正向偏置。因为阴极接地(OV)，所以阳极不能超过0.7V(假设是硅二极管)。

因此，当输入电压超过该值时，A点的值就被钳位在+0.7V。

为了调节对信号电压进行限幅的电平大小，可以将一个偏置电压与二极管串联

当A点电压达到+7.7V时，二极管D1导通并在+7.7V处限幅波形。二极管D2并未导通直到电压到达-7.7V。

所以，高于＋7.7V的正电压和低于-7.7V的负电压都会被限幅，输出波形如图2-39所示。

2.7.2 二极管钳位器

二极管钳位器在交流信号上加了一个直流电平。钳位器有时也称作直流分量还原器。图2-40是一个二极管钳位器，它在输出波形插人了一个正直流电平。

为了理解这种电路的工作原理，先考虑输人电压的负半周期。当输入开始为负时，二极管正向偏置，允许电容器充电到接近输人峰值(Vp(in) - 0.7V)，如图2-40a所示。一旦越过了负峰值，二极管变成反向偏置，这是因为电容器通过充电将阴极维持在Vp(in)

本节问题

1．讨论二极管限幅器和二极管钳位器在功能上有什么差异。

限幅器削掉或移去波形的一部分，钳位器插入一直流电平。

2．在限幅器中如果二极管反向会发生什么?

二极管反向会使限幅器削掉波形的另外一边。

3．当输入峰值是＋10V时，为了将正限幅器的输出限制到+5V，偏置电压应为多少?

偏置电压必须是 5V - 0.7V = 4.3V。

4．钳位电路中的什么元件作用相当于电源?

电容的作用相当于电池。

2.8 特殊用途二极管

2.8.1 齐纳二极管

齐纳二极管是一个硅的pn结器件，与整流二极管不同的地方在于它的反向击穿区的设计。

齐纳二极管最重要的应用是用作参考电压和小电流应用时的稳压器。

齐纳稳压器如前所述，齐纳二极管在一些简单的应用中可以作为稳压器。图示了一个齐纳二极管是如何把变化的直流输入电压稳定在一个恒定值上的。前面学过，这个过程称为线路调整率。

2.8.2 变容二极管

因为结电容会随着反向偏置电压的大小而发生变化，变容二极管故又称为可变电容二极管。

变容器是专门为利用可变电容特性而设计的。可以通过改变反向电压来改变电容。

这些器件主要用于通信系统中的电子调谐电路。

当反向偏置电压增大时，耗尽层变宽，等效于增加了电解质的厚度，所以减小了电容。

当反向偏置电压减小，耗尽层变窄，所以增大了电容。

内部反向串联电阻记为r_s，可变电容标记为Cv

2.8.3 发光二极管

发光二极管(LED)：就是一个光发射器；LED可用作指示器(例如在逻辑探头中)，用于显示，例如许多数字时钟中常见的七段显示器，也用作光纤通信系统中的源。

LED的基本工作原理是这样的：当器件正向偏置时，n区电子穿过pn结并和p区的空穴复合。

这些自由电子处于导带并且比价带中的空穴处于更高的能级。

当复合发生时，复合电子以光和热的方式释放出能量。

这样的半导体材料如果表层有较大一块露出在外，就能允许光子以可见光的形式释放。图2-55图示了这个称为电致发光的过程。

2.8.4 光敏二极管

光敏二极管是一个工作在反向偏置状态下的pn结器件，如图2-62所示，其中Ⅰ是反向电流。注意光敏二极管的图示符号。光敏二极管有一个小的透明窗允许光能照射到pn结。

在光敏二极管中，反向电流随着照在pn结上光强度的增大而增大。当没有入射光时，反向电流(I)几乎可以忽略，并且这个电流称为暗电流。