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第 1章 半导体二极管及其应用电路(精)_图文

半导体二极管及其应用电路
第1章 半导体二极管及其 应用电路
? 1.1 PN结 ? 1.2 半导体二极管 ? 1.3 整流滤波电路 ? 1.4 特殊二极管

半导体二极管及其应用电路
1.1 PN结
1.1.1 半导体的基础知识 图1.1表示的是由二极管、 灯泡、 限流电阻、 开关 及电源等组成的简单电路。 电路演示如下: 按图1.1(a)所示, 闭合开关S, 灯泡发光, 说明电路导通。 若二极管管脚调换位置, 如图1.1(b)所示, 闭合开关S, 灯泡不发光, 由以上演示结果可知: 二极管具有单向导电性。

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V



2CZ54C H

3V



R

S

V



2CZ54C H

U

3V



R

S

(a)

(b)

图 1.1 半导体二极管导电性能的实验

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1. 自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝 缘体、半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之 间。它具有热敏性、光敏性和掺杂性。利用光敏性可 制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性 可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、 不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应 管等。

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2.半导体的共价键结构
在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都 是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电 子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而 且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面 围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原 子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子 联系在一起,称为共价键结构。如图1.2所示。

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大块晶体中

的局部结构

+4

+4

+4

两个电子的共价键

+4

+4

+4

正离子核

+4

+4

+4

图1.2 硅和锗的共价键结构

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当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价 电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得 一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由 电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这 个空位称为空穴,如图1.3所示。

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+4

+4

+4

由于热激发而产 生的自由电子

+4

+4

+4

自由电子移走后 留下的空穴

+4

+4

+4

图1.3 本征激发产生电子空穴对示意图

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自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空 穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。 我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对 的现象,称为本征激发,又称为热激发。
由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作 用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电 子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转 移到这个新的空位上,如图1.4所示。为了区别于自由电子 的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为 空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等,

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符号相反。由此可见, 本征半导体中存在两种载流子: 电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。 本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相 反而形成的电流方向相同,如图1.5所示。

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+4

+4

+4

原空穴处

+4

+4

+4

价电子 填补轨迹

+4

+4

+4

现空穴处 图1.4 电子与空穴的移动

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I 自由电子 空穴
U ?A
图1.5 两种载流子在电场中的运动

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3.杂质半导体
1) N 在纯净的半导体硅(或锗)中掺入微量五价元素 (如磷)后,就可成为N型半导体,如图1.6(a)所示。在这 种半导体中,自由电子数远大于空穴数,导电以电子为主, 故此类半导体亦称电子型半导体。
2) P 在硅(或锗)的晶体内掺入少量三价元素杂质,如 硼(或铟)等。硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子 组成共价键时,因缺少一个电子,

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空穴。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具 有导电性能。P型半导体共价键结构如图1.6(b)所示。

+4

+4

+4

杂质原子提供 的多余的电子

+4

+5

+4

杂质正离子

+4

+4

+4

(a)

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+4

+4

+4

受主原子

邻近的电子落入受主的 空位留下可移动的空穴

+4

+3

+4

可移动的空穴

受主获得一个电子

+4

+4

+4

而形成一个负离子

(b)
图1.6 (a)N型半导体;

(b)P型半导体

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在P型半导体中,空穴数远远大于自由电子数,空穴为多 数载流子(简称“多子”),自由电子为少数载流子(简称 “少子”)。导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴 型半导体。

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1.1.2 PN
1. PN 结的形成
在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成 P型半导体,另一边形成N型半导体。
在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,称为空 间电荷区,并产生内电场,其方向是从N区指向P区,内电场 的建立阻碍了多数载流子的扩散运动,随着内电场的加强, 多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交界面形成一个稳 定的特殊的薄层,即PN结。因为在空间电荷区内多数载流 子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电 荷区又称为耗尽层。

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2. PN结的单向导电特性 在PN结两端外加电压,称为给PN
1) PN 给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电 源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图1.7所示。 由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内 电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多 数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于正向 导通状态。

P
空穴 (多数)

变薄

















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N
电子 (多数)

内电场

R

I

外电场





mA U
图1.7 PN结加正向电压

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2) PN 给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接 电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏),如图1.8所示。

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P

变厚

N

电子 (少数)

--- +++ --- +++ --- +++ --- +++

空穴 (少数)

内电场

R

IR

外电场





?A
U 图1.8 PN结加反向电压

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由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内 电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场 的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反 向电流。
应当指出,少数载流子是由于热激发产生的,因而PN 结的反向电流受温度影响很大。
综上所述,PN结具有单向导电性,即加正向电压时导 通,加反向电压时截止。

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1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构、 1.结构符号 二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.9 所示,在图1.9(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通 电流方向。

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外壳

(阳极)


PN

(阴极)


阳极引线

阴极引线

(a)

(阳极) V (阴极)





(b)

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2AP 2CP

2CZ54

2CZ13

(c)

2CZ30

图1.9 二极管结构、 (a)结构;(b)符号;(c)外形

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2.类型 (1)按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极 管等。 (2)按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面 接触型二极管。 (3)按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、 变容、阻尼等二极管。 (4)按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。 (5)按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。

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1.2.2 半导体二极管的命名方法 半导体器件的型号由五个部分组成,如图1.10所示。 其型号组成部分的符号及其意义见附录一。如2AP9,“2” 表示电极数为2,“A”表示N型锗材料,“P”表示普通管,“9” 表示序号。

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用字母表示规格号 用数字表示序号 用字母表示类型 用字母表示材料和极性 用数字表示电极数目
图1.10 半导体器件的型号组成

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1.2.3 半导体二极管的伏安特性 半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的 特性——单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描 述二极管的单向导电性。
若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、 电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成二极管的 伏安特性曲线,如图1.11所示(图中虚线为锗管的伏安 特性,实线为硅管的伏安特性)。下面对二极管伏安特 性曲线加以说明。

-U(BR) C

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iV / m A 锗



15 B′

B

10

- 30 IR C′

5

O A′

A

0.2 0.4 0.6 0.8

-5

uV / V

D D′

(?A)

图1.11 二极管伏安特性曲线

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1. 二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向 电压较小时,正向电流极小(几乎为零),这一部分称为 死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压 (也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图1.6中 OA(OA′)段。 当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地 增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管 的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如图 1.11中AB(A′B′)段。

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二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能 超过最大值,否则将烧坏PN结。
2. 二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二 极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电 压 而 变 化 。 此 时 的 电 流 称 之 为 反 向 饱 和 电 流 IR, 见 图 1.11中OC(OC′)段。

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3. 反向击穿特性 二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增 大,这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向 击穿电压,用UBR表示,如图1.11中CD(C′D′)段。 4. 由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温 度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向 压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。

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1.2.4 半导体二极管的主要参数 1. 最大整流电流IF 2. 最大反向工作电压 URM 3. 反向饱和电流 IR 4. 二极管的直流电阻R 5. 最高工作频率fM

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1.2.5 二极管的简易测试 将万用表置于R×100或R×1k(Ω)挡(R×1挡电流 太大,用R×10k(Ω)挡电压太高,都易损坏管子)。如图 1.12所示,

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黑表棒

? -+

黑表棒

? -+

红表棒 (a)

表头


红表棒
电池

(b)

图1.12 (a)电阻小;(b)电阻大

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1.2.6 二极管使用注意事项 二极管使用时, (1)二极管应按照用途、参数及使用环境选择。 (2)使用二极管时,正、负极不可接反。通过二极管的 电流,承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所 规定的极限值。 (3)更换二极管时,应用同类型或高一级的代替。 (4)二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm, 以免造成引线折断或外壳破裂。

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1.3 整流滤波电路
1.3.1 1. 单相半波整流电路 1) 图1.14(a)所示为单相半波整流电路。 由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有 半个周期的正弦波,故称半波整流。

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T

A+





V iV

iO +

u1

u2

- B

RL

uO



(a)

u2 2U 2
0 ?
uO 2U 2
0 iV=iO
0 uV
0
? 2U 2

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2? 3? 4? ??t
? ?t
图1.14 单相半波整流电路及
? ?t
(a)电路图;(b)波形图
? ?t
(b)
自动化0721 2月25日

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2) 直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。即

? ? UO

?

1 2π


0 UOd (ωt)

?

1 2π

π 0

2U2

sinωtd (ωt)

?

22 2π

U2

?

0.45U2

(1.1)

流过负载RL上的直流电流为

3)

IO

?

UO RL

?

0.45U 2 RL

(1.2)

由图1.14(a)可知,流过整流二极管的平均电流IV与流 过负载的电流相等,即

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IV

?

I

O

?

0.45U RL

2

(1. 3)

当二极管截止时,它承受的反向峰值电压URM是

变压器次级电压的最大值,即

U U ? 2

RM

2

(1. 4)

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2.单相桥式整流电路 1)
桥式整流电路由变压器和四个二极管组成,如图 1.15所示。由图(a)可见,四个二极管接成了桥式,在四个 顶点中,相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载RL, 不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。输出波 形如图1.17所示。

TA





V4

u1

u2

V3





B

(a)

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V1 +

RL

V2



+ +
u1
- -

TA +
u2
- B

V1 V4
(b)

V2



RL uO -
V3

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TA





u1

u2

V1 ~ V4





B

(c)

+ RL uO


图1.15 (a)电路画法一;(b)电路画法二;(c)电路画法三

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T



A+

u1

u2

V3



B-

(a)

V1

iO



RL

uO



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T



A-

V4

u1

u2



B+



(b)

iO +

V2 RL

uO



图1.16 (a)u2正半周时;

(b)u2负半周时

u2

2U 2

0

?

2? 3?

4?

??t

iV1 , iV3
0
iV2 , iV4 0 i0 0 u0
0 uV1 , uV3
0

2U 2 RL
2U 2 RL
2U 2

??t
??t 2U 2 RL
??t
2U 2 ??t
??t

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图1.17桥式整流电路输出 波形图

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2) 由上述分析可知,桥式整流负载电压和电流是半波 整流的两倍。

U O ? 0.9U 2

(1. 5)

I

O

?

0.9U 2 RL

3)

(1. 6)

在桥式整流电路中,因为二极管V1、V3和V2、V4在 电源电压变化一周内是轮流导通的,所以流过每个二极 管的电流都等于负载电流的一半,即

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IV

?

1 2

I

O

?

0.45U 2 RL

(1. 7)

从图1.16可知,每个二极管在截止时承受的反向

峰值电压为

U U ? 2

RM

2

(1. 8)

桥式整流电路与半波整流电路相比,电源利用率提 高了1倍,同时输出电压波动小,因此桥式整流电路得到 了广泛应用。电路的缺点是二极管用得较多,电路连

接复杂,容易出错,为了解决这一问题,生产厂家常

将整流二极管集成在一起构成桥堆,内部结构及外形如 图1.18所示。

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-~

~~

~

~





2CQ

2CQ

+ ~- ~

~

~

+ (- )

(a)

QL







~ ~



~

(b)

图1.18

(a)半桥堆;(b)全桥堆

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使用一个“全桥”或连接两个“半桥”,就可代替 四只二极管与电源变压器相连,组成桥式整流电路,非常 方便。选用时,应注意桥堆的额定工作电流和允许的最 高反向工作电压应符合整流电路的要求。

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1.3.2 滤波电路 常见的电路形式如图1.19所示。
L
C 电感滤波器

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L

C

倒 L型 滤 波 器

L

R

C

C

C

C

?型 滤 波 器

电 阻?型 滤 波 器

图1.19 各种滤波电路

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1.

1)

图1.20(a)为单相半波整流电容滤波电路,它由电容

C和负载RL并联组成。

T

V

iO



u1

u2



C

RL

uO



(a)

uO

充电

放电

a

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充电

放电

b

0

?
V截 止

2?
V

3? ??t

(b) 导通

图1.20 半波整流电容滤波电路及波形

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其工作原理如下: 当u2的正半周开始时,若u2>uC(电容两端电压),整 流二极管V因正向偏置而导通,电容C被充电:由于充 电回路电阻很小,因而充电很快,uC和u2变化同步。 当ωt=π/2时,u2达到峰值,C两端的电压也近似充至 2u2值。

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在桥式整流电路中加电容进行滤波器与半波整流 滤波电路工作原理是一样的,不同点是在u2全周期内,电 路中总有二极管导通,所以u2对电容C充电两次,电容器 向负载放电的时间缩短,输出电压更加平滑,平均电压值 也自然升高。这里不再赘述。桥式整流电容滤波电路 及波形如图1.21所示。

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T V4

u1

u2

V3

iO

V1 +



C

RL uO

V2



(a)

T V4

u1

u2

V3

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iO

V1 +



C

RL uO

V2



(a)
图1.21 (a)电路;(b)波形

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2)负载上电压的计算
U O ? 1 ~ 1.1U 2 (半波) U O ? 1.2U 2 (半波、全波)
3)

(1. 9) (1. 10)

(1) 电容选择: 滤波电容C的大小取决于放电回路的 时间常数, RLC愈大, 输出电压脉动就愈小, 通常取RLC 为脉动电压中最低次谐波周期的3~5倍, 即

RL

C

?

(3

~

5)

T 2

RL C ? (3 ~ 5)T

(桥式、全波) (半波)

(1. 11) (1. 12)

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(2) 整流二极管的选择。

正向平均电流为

IV ? IO

IV

?

1 2

IO

(半波) (桥式)

(1. 13) (1. 14)

4)

电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。 但在接通电源的瞬间,将产生强大的充电电流,这种电流 称为“浪涌电流”;同时,因负载电流太大,电容器放电 的速度加快,会使负载电压变得不够平稳,所以电容滤波 电路只适用于负载电流较小的场合。

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2.电感滤波电路 电感线圈L和负载的串联电路,同样具有滤波作用, 电路如图1.22所示。 整流滤波输出的电压,可以看成由直流分量和交流 分量叠加而成。因电感线圈的直流电阻很小,交流电抗 很大,故直流分量顺利通过,交流分量将全部降到电感线 圈上,这样在负载RL得到比较平滑的直流电压。 电感滤波电路的输出电压为

UO ? 0.9U2

(1.17)

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T

u1

u2

(a)

L



RL

uO



uO

滤波前

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滤波后

O

??t

(b)

图1.22 (a)电路;(b)波形

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1.4 特殊二极管
前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用 途的二极管,如稳压二极管、发光二极管、光电二极管 和变容二极管等,现介绍如下。
1. 1) 稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图 1.23所示。

I / mA

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UZ

?UZ

UB

UA

O

U/V

A

IA(IZmin )

V

??IZ

IZ

B

IB(IZmax)

(a)
图1.23 (a)伏安特性曲线;(b)符号

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2) (1)稳定电压UZ。 稳定电压UZ即反向击穿电压。 (2)稳定电流IZ。 稳定电流IZ是指稳压管工作至稳压状态时流过的电 流。当稳压管稳定电流小于最小稳定电流IZmax时,没有 稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时,管子因过流而损坏。

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2. 发光二极管与普通二极管一样,也是由PN结构成的, 同样具有单向导电性,但在正向导通时能发光,所以它是 一种把电能转换成光能的半导体器件。电路符号如图 1.24所示。
V
图1.24 发光二极管电路符号

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1) 普通发光二极管工作在正偏状态。 检测发光二极管,一般用万用表R×10k(Ω)挡,方法和 普通二极管一样,一般正向电阻15kΩ左右,反向电阻为无 穷大。 2)红外线发光二极管 红外线发光二极管工作在正偏状态。 用万用表R×1k(Ω)挡检测,若正向阻值在30kΩ左右,反 向为无穷大,则表明正常,否则红外线发光二极管性能变差 或损坏。

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3)激光二极管 根据内部构造和原理,判断激光二极管好坏的方法是通 过测试激光二极管的正、反向电阻来确定好坏。若正向电 阻为20~30kΩ,反向电阻为无穷大,说明正常,否则,要么激光 二极管老化,要么损坏。 3. 光电二极管工作在反偏状态,它的管壳上有一个玻璃窗 口,以便接受光照。 光电二极管的检测方法和普通二极管的一样,通常正向 电阻为几千欧,反向电阻为无穷大。否则光电二极管质量变

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差或损坏。当受到光线照射时,反向电阻显著变化,正向 电阻不变。
V
图1.25 光电二极管电路符号
4.变容二极管 变容二极管是利用PN结电容可变原理制成的半导体 器件,它仍工作在反向偏置状态。它的压控特性曲线和电 路符号如图1.26

半导体二极管及其应用电路

80

Cj / pF

V

60

40

20

0

2 4 6 8 10 12 14

-U / V

(a)

(b)

图1.26 (a)电路符号;(b)压控特性曲线




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