半導體二極管及其應(yīng)用詳解

　　由于二極管的伏安特性是非線性的，為了分析計算方便，在特定的條件下，我們可以將其線性化處理，視為理想元件。

　　1.理想二極管等效電路

　　在電路中，若二極管導通時的正向壓降遠小于和它串聯(lián)元件的電壓，二極管截止時反向電流遠小于與之并聯(lián)元件的電流，那么可以忽略管子的正向壓降和反向電流把二極管理想化為一個開關(guān)，當外加正向電壓時，二極管導通，正向壓降為0，相當于開關(guān)閉合，當外加反向電壓時，二極管截止，反向電流為0，相當于開關(guān)斷開，理想二極管的等效電路如圖4-4。利用理想二極管表示實際二極管進行電路的分析和計算可以得出比較滿意的結(jié)果，但稍有一些誤差。

　　2.二極管應(yīng)用電路舉例

　　二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。下面介紹幾種應(yīng)用電路。

　　(1) 限幅電路：限幅器的功能就是限制輸出電壓的幅度。

　　例4-1　圖4-5(a)就是利用二極管作為正向限幅器的電路圖。已知vi = Vmsinωt，且Vm>VS　，試分析工作原理，并作出輸出電壓vo的波形。

　　解：a) 二極管導通的條件是vi>VS，由于D為理想二極管，D一旦導通，管壓降為零，此時vo = VS

　　b) 當vi≤VS時，二極管截止，該支路斷開，R中無電流，其壓降為0。 所以vo =vi

　　c) 根據(jù)以上分析，可作出vo的波形，如圖4-5(b)所示，由圖可見，輸出電壓的正向幅度被限制在VS值。

　　注意：作圖時，vo和vi的波形在時間軸上要對應(yīng)，這樣才能正確反映vo的變化過程。

　　(2) 二極管門電路

　　門電路是一種邏輯電路，在輸入信號(條件)和輸出信號(結(jié)果)之間存在著一定的因果關(guān)系即邏輯關(guān)系。在邏輯電路中，通常用符號0和1來表示兩種對立的邏輯狀態(tài)。用1表示高電平，用0表示低電平，稱為正邏輯，反之為負邏輯。

　　基本的邏輯關(guān)系有三種：與邏輯、或邏輯、非邏輯。與此相對應(yīng)的門電路就有與門、或門、非門。由這三種基本門電路可以組成其他多種復合門電路。

　　例4-2 圖 4-6所示為最簡單的與門電路及邏輯圖符號。它是由二極管D1、D2和電阻R及電源VCC組成。圖中A、B為兩個輸入端，F(xiàn)為輸出端。設(shè)VCC=5V，A、B輸入端的高電平(邏輯1)為3V，低電平(邏輯0)為0V， 并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航?。試分析電路的輸入與輸出之間的關(guān)系。

　　解：(1)當輸入端A、B均為低電平0時，即VA = VB = 0V時，二極管D1、D2均為正向偏置而導通，使輸出端F的電壓VF = 0V，即輸出端F為低電平0。

　　(2)當輸入端A為低電平0，B為高電平1，即VA = 0V，VB = 3V時，D1陰極電位低于D2陰極電位，D1導通，使VF = 0V，因而D2為反向偏置而截止，輸出端F為低電平0。

　　(3)當輸入端A為高電平1，B為低電平0，即VA = 3V，VB = 0V時，D1、D2的工作情況與(2)相反，輸出端F仍為低電平0。

　　(4)當輸入端A、B均為高電平1時，即VA = VB = 3V時，D1、D2均為正向偏置而導通，使輸出端F的電壓VF = 3V，即輸出端F為高電平1。

　　從上述分析可知，只有當所有輸入端都是高電平1時，輸出端才是高電平1，否則輸出端均為低電平0。這種“只有當決定一事件結(jié)果的所有條件都滿足時，結(jié)果才發(fā)生”的邏輯關(guān)系稱為與(And)邏輯，與門電路滿足與邏輯關(guān)系。與邏輯也稱為邏輯乘、與運算。通常用符號“· ”表示，設(shè)A、B、F分別為邏輯變量，則與運算的表達式可寫成以下形式：

　　F=A·B 或 F=AB

　　上式讀作F等于A與B。邏輯與的含義是：只有輸入變量A、B都為1 時，輸出變量F才為1;只要A、B中有一個為0，F(xiàn)便為0。換言之，也就是“有0出0，全1出1”。這一結(jié)論也適合于有多個變量參加的與運算。

　　表4-1列出了圖4-6所示電路輸入與輸出邏輯電平的關(guān)系。但在邏輯電路分析中，通常用邏輯0、1來描述輸入與輸出之間的關(guān)系，所列出的表稱為真值表(即邏輯狀態(tài)表)。上述與門的真值表如表4-2所示。

　　另外，圖4-7給出了或門電路及邏輯圖符號。它也是由二極管和電阻組成的。圖中A、B是兩個輸入端，F(xiàn)是輸出端。設(shè)A、B輸入端的高電平(邏輯1)為3V，低電平(邏輯0)為0V， 并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航怠Ｍㄟ^分析(詳細過程讀者可以自己分析)可知，只要A 、B當中有一個是高電平(邏輯1)輸出就是高電平(邏輯1)。只有當A、 B同時為低電平(邏輯0)時，輸出才是低電平(邏輯0)。這種“在決定一事件結(jié)果的所有條件中，只要有一個或一個以上滿足時結(jié)果就發(fā)生”的邏輯關(guān)系稱或(Or)邏輯?；蜷T電路滿足或邏輯關(guān)系。

　　或邏輯也稱為邏輯加、或運算。通常用符號“+”來表示，設(shè)A、B、F分別為邏輯變量，則或運算的表達式可寫成以下形式：

　　F=A+B

　　上式讀作F等于A或B。邏輯或的含義是：只有輸入變量A、B中有一個或一個以上為1， 輸出變量F就為1;反之，只有A、B全為0時，F(xiàn)才為0。換言之，也就是“有1出1，全0出0”。這一結(jié)論也適合于有多個變量參加的或運算

　　表4-3列出了圖4-7所示電路輸入與輸出邏輯電平的關(guān)系。表4-4為上述或門的真值表。

　　4.2　特殊二極管

　　除了上述普通二極管外，還有一些特殊二極管，如穩(wěn)壓二極管、光電二極管、發(fā)光二極管等，分別介紹如下。

　　4.2.1 穩(wěn)壓管

　　穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。圖4-8(a)為穩(wěn)壓管在電路中的正確聯(lián)接方法;圖(b)和圖(c)為穩(wěn)壓管的伏安特性及圖形符號。穩(wěn)壓管與普通二極管的主要區(qū)別在于，穩(wěn)壓管是工作在PN結(jié)的反向擊穿狀態(tài)。通過在制造過程中的工藝措施和使用時限制反向電流的大小，能保證穩(wěn)壓管在反向擊穿狀態(tài)下不會因過熱而損壞。從穩(wěn)壓管的反向特性曲線可以看出，當反向電壓較小時，反向電流幾乎為零，當反向電壓增高到擊穿電壓Vz(也是穩(wěn)壓管的工作電壓)時，反向電流Iz(穩(wěn)壓管的工作電流)會急劇增加，穩(wěn)壓管反向擊穿。在特性曲線ab段，當Iz在較大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端電壓Vz基本不變，具有恒壓特性，利用這一特性可以起到穩(wěn)定電壓的作用。

　　穩(wěn)壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的，只要不超過穩(wěn)壓管的允許值，PN結(jié)就不會過熱損壞，當外加反向電壓去除后，穩(wěn)壓管恢復原性能，所以穩(wěn)壓管具有良好的重復擊穿特性。

　　穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有：

　　1.穩(wěn)定電壓VZ。穩(wěn)定電壓VZ指穩(wěn)壓管正常工作時，管子兩端的電壓，由于制造工藝的原因，穩(wěn)壓值也有一定的分散性，如2CW14型穩(wěn)壓值為6.0～7.5V。

　　2.動態(tài)電阻rz。動態(tài)電阻是指穩(wěn)壓管在正常工作范圍內(nèi)，端電壓的變化量與相應(yīng)電流的變化量的比值。

　　穩(wěn)壓管的反向特性愈陡，rZ愈小，穩(wěn)壓性能就愈好

　　3. 穩(wěn)定電流IZ。穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流值，只有I≥IZ，才能保證穩(wěn)壓管有較好的穩(wěn)壓性能。

　　4.最大穩(wěn)定電流IZmax 。允許通過的最大反向電流，I > IZmax管子會因過熱而損壞。

　　5. 最大允許功耗PZM。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PZM =VZ IZmax

　　6.電壓溫度系數(shù)αV。溫度變化10C時，穩(wěn)定電壓變化的百分數(shù)定義為電壓溫度系數(shù)。電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好，通常硅穩(wěn)壓管在VZ低于4V時具有負溫度系數(shù),高于6V時具有正溫度系數(shù), VZ在4～6V之間，溫度系數(shù)很小。

　　穩(wěn)壓管正常工作的條件有兩條，一是工作在反向擊穿狀態(tài),二是穩(wěn)壓管中的電流要在穩(wěn)定電流和最大允許電流之間。當穩(wěn)壓管正偏時，它相當于一個普通二極管。圖4-8(a)為最常用的穩(wěn)壓電路，當Vi或RL變化時，穩(wěn)壓管中的電流發(fā)生變化，但在一定范圍內(nèi)其端電壓變化很小，因此起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。(該電路分析見4.4節(jié))

　　4.2.2 光電二極管

　　光電二極管又稱光敏二極管。它的管殼上備有一個玻璃窗口，以便于接受光照。其特點是，當光線照射于它的PN結(jié)時，可以成對地產(chǎn)生自由電子和空穴，使半導體中少數(shù)載流子的濃度提高。這些載流子在一定的反向偏置電壓作用下可以產(chǎn)生漂移電流，使反向電流增加。因此它的反向電流隨光照強度的增加而線性增加，這時光電二極管等效于一個恒流源。當無光照時，光電二極管的伏安特性與普通二極管一樣。光電二極管的等效電路如圖4-9(a)所示，圖4-9(b)為光電二極管的符號。

　　暗電流：無光照時的反向飽和電流。一般1μA。

　　光電流：指在額定照度下的反向電流，一般為幾十毫安。

　　靈敏度：指在給定波長(如0.9μm)的單位光功率時，光電二極管產(chǎn)生的光電流。一般≥0.5μA/μW。

　　峰值波長：使光電二極管具有最高響應(yīng)靈敏度(光電流最大)的光波長。一般光電二極管的峰值波長在可見光和紅外線范圍內(nèi)。

　　響應(yīng)時間：指加定量光照后，光電流達到穩(wěn)定值的63%所需要的時間，一般為10-7S。

　　光電二極管作為光控元件可用于各種物體檢測、光電控制、自動報警等方面。當制成大面積的光電二極管時，可當作一種能源而稱為光電池。此時它不需要外加電源，能夠直接把光能變成電能。