晶体二极管特性及参数
本讲教学内容及基本要求
主要内容：
◆晶体二极管的指数特性曲线
◆晶体二极管的直流电阻和交流电阻
◆晶体二极管的极限参数
◆晶体二极管的温度特性
◆晶体二极管的开关模型
基本要求：
◆深入理解晶体二极管的指数特性曲线---正向导通特性、反向截止特性和击穿特性，死区电压概念等。
◆深入理解二极管的交流电阻和直流电阻的非线性特性及其几何意义，交流电阻
等重要结论。
rd反比于工作点电流I
DQ
◆了解晶体二极管的极限参数和温度特性。
◆掌握晶体二极管的开关模型。
肖特基二极管特性详解 我们所熟知的二极管被广泛应用于各种电路中，但我们真正了解二极管的某些特性关系吗?如二极管导通电压和反向漏电流与导通电流、环境温度存在什么样的关系等，让我们来扒扒很多数据手册中很少提起的特性关系和正确合理的选型。下面就随半导体设计制造小编一起来了解一下相关内容吧。 我们都知道在选择二极管时，主要看它的正向导通压降、反向耐压、反向漏电流等。但我们却很少知道其在不同电流、不同反向电压、不同环境温度下的关系是怎样的，在电路设计中知道这些关系对选择合适的二极管显得极为重要，尤其是在功率电路中。接下来我将通过型号为SM360A(肖特基管)的实测数据来与大家分享二极管鲜为人知的特性关系。 1、正向导通压降与导通电流的关系 在二极管两端加正向偏置电压时，其内部电场区域变窄，可以有较大的正向扩散电流通过PN结。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能真正导通。但二极管的导通压降是恒定不变的吗?它与正向扩散电流又存在什么样的关系?通过下图1的测试电路在常温下对型号为SM360A的二极管进行导通电流与导通压降的关系测试，可得到如图2所示的曲线关系：正向导通压降与导通电流成正比，其浮动压差为0.2V。从轻载导通电流到额定导通电流的压差虽仅为0.2V，但对于功率二极管来说它不仅影响效率也影响二极管的温升，所以在价格条件允许下，尽量选择导通压降小、额定工作电流较实际电流高一倍的二极管。 图1 二极管导通压降测试电路
图2 导通压降与导通电流关系 2、正向导通压降与环境的温度的关系 在我们开发产品的过程中，高低温环境对电子元器件的影响才是产品稳定工作的最大障碍。环境温度对绝大部分电子元器件的影响无疑是巨大的，二极管当然也不例外，在高低温环境下通过对SM360A的实测数据表1与图3的关系曲线可知道：二极管的导通压降与环境温度成反比。在环境温度为-45℃时虽导通压降最大，却不影响二极管的稳定性，但在环境温度为75℃时，外壳温度却已超过了数据手册给出的125℃，则该二极管在75℃时就必须降额使用。这也是为什么开关电源在某一个高温点需要降额使用的因素之一。 表1 导通压降与导通电流测试数据
二极管的特性与应用 几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si 管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。 面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。 平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称
二极管 一、二极管的种类 二极管有多种类型：按材料分，有锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管等；按制作工艺可分为面接触二极管和点接触二极管；按用途不同又可分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管、快速恢复二极管等；接构类型来分，又可分为半导体结型二极管，金属半导体接触二极管等；按照封装形式则可分为常规封装二极管、特殊封装二极管等。下面以用途为例，介绍不同种类二极管的特性。 1．整流二极管 整流二极管的作用是将交流电源整流成脉动直流电，它是利用二极管的单向导电特性工作的。 因为整流二极管正向工作电流较大，工艺上多采用面接触结构。南于这种结构的二极管结电容较大，因此整流二极管工作频率一般小于3kHz。 整流二极管主要有全密封金属结构封装和塑料封装两种封装形式。通常情况下额定正向T作电流LF在l A以上的整流二极管采用金属壳封装，以利于散热；额定正向工作电流在lA以下的采用全塑料封装。另外，由于T艺技术的不断提高，也有不少较大功率的整流二极管采用塑料封装，在使用中应予以区别。 由于整流电路通常为桥式整流电路(如图1所示)，故一些生产厂家将4个整流二极管封 装在一起，这种冗件通常称为整流桥或者整流全桥(简称全桥)。常见整流二极管的外形如图2所示。 选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向丁作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。 普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管(例如l N 系列、2CZ系列、RLR系列等)即可。 开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、
常见大中功率管三极管参数 晶体管型号反压Vbe0 电流Icm 功率Pcm 放大系数特征频率管子类型2SD1402 1500V 5A 120W * * NPN 2SD1399 1500V 6A 60W * * NPN 2SD1344 1500V 6A 50W * * NPN 2SD1343 1500V 6A 50W * * NPN 2SD1342 1500V 5A 50W * * NPN 2SD1941 1500V 6A 50W * * NPN 2SD1911 1500V 5A 50W * * NPN 2SD1341 1500V 5A 50W * * NPN 2SD1219 1500V 3A 65W * * NPN 2SD1290 1500V 3A 50W * * NPN 2SD1175 1500V 5A 100W * * NPN 2SD1174 1500V 5A 85W * * NPN 2SD1173 1500V 5A 70W * * NPN 2SD1172 1500V 5A 65W * * NPN 2SD1143 1500V 5A 65W * * NPN 晶体管型号反压Vbe0 电流Icm 功率Pcm 放大系数特征频率管子类型2SD1142 1500V 3.5A 50W * * NPN 2SD1016 1500V 7A 50W * * NPN 2SD995 2500V 3A 50W * * NPN 2SD994 1500V 8A 50W * * NPN 2SD957A 1500V 6A 50W * * NPN 2SD954 1500V 5A 95W * * NPN 2SD952 1500V 3A 70W * * NPN 2SD904 1500V 7A 60W * * NPN 2SD903 1500V 7A 50W * * NPN 2SD871 1500V 6A 50W * * NPN 2SD870 1500V 5A 50W * * NPN 2SD869 1500V 3.5A 50W * * NPN 2SD838 2500V 3A 50W * * NPN 2SD822 1500V 7A 50W * * NPN 2SD821 1500V 6A 50W * * NPN 晶体管型号反压Vbe0 电流Icm 功率Pcm 放大系数特征频率管子类型2SD348 1500V 7A 50W * * NPN 2SC4303A 1500V 6A 80W * * NPN 2SC4292 1500V 6A 100W * * NPN 2SC4291 1500V 5A 100W * * NPN 2SC4199A 1500V 10A 100W * * NPN 2SC3883 1500V 5A 50W * * NPN 2SC3729 1500V 5A 50W * * NPN 2SC3688 1500V 10A 150W * * NPN
二极管的分类与参数 一、半导体二极管 1.1二极管的结构 半导体二极管简称二极管，由一个PN 结加上相应的电极引线和管壳构成，其基本结构和符号如图1所示。 图1 二极管的结构及符号 1.2 二极管的分类 1、根据所用的半导体材料不同，可分为锗二极管和硅二极管。 2、按照管芯结构不同，可分为： （1）点接触型二极管 由于它的触丝与半导体接触面很小，只允许通过较小的电流（几十毫安以下），但在高频下工作性能很好，适用于收音机中对高频信号的检波和微弱交流电的整流，如国产的锗二极管2AP 系列、2AK 系列等。 （2）面接触型二极管 面接触型二极管PN 结面积较大，并做成平面状，它可以通过较大了电流，适用于对电网的交流电进行整流。如国产的2CP 系列、2CZ 系列的二极管都是面接触型的。 （3）平面型二极管 它的特点是在PN 结表面被覆一层二氧化硅薄膜，避免PN 结表面被水分子、气体分子以及其他离子等沾污。这种二极管的特性比较稳定可靠，多用于开关、脉冲及超高频电路中。国产2CK 系列二极管就属于这种类型。 3、根据管子用途不同，可分为整流二极管、稳压二极管、开关二极管、光电二极管及发光二极管等。 1.3 二极管的特性 引线 外壳线 触丝线 基片 二极管的电路符号： P N 阳极 阴极 点接触型
1、正向特性 二极管正向连接时的电路如图所示。二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就处于导通状态（灯泡亮），如同一只接通的开关。实际上，二极管导通后有一定的管压降（硅管0.6～0.7V，锗管0.2～0.3V）。我们认为它是恒定的，且不随电流的变化而变化。 但是，当加在二极管两端的正向电压很小的时候，正向电流微弱，二极管呈现很大的电阻，这个区域成为二极管正向特性的“死区”，只有当正向电压达到一定数值（这个数值称为“门槛电压”，锗二极管约为0.2V，硅二极管约为0.6V）以后，二极管才真正导通。此时，正向电流将随着正向电压的增加而急速增大，如不采取限流措施，过大的电流会使PN结发热，超过最高允许温度（锗管为90℃～100℃，硅管为125℃～200℃）时，二极管就会被烧坏。 2、反向特性 二极管反向连接时的电路如图所示。二极管的负极接在电路的高电位端，正极接在电路的低电位端，二极管就处于截止状态，如同一只断开的开关，电流被PN结所截断，灯泡不亮。 但是，二极管承受反向电压，处于截止状态时，仍然会有微弱的反向电流（通常称为反向漏电流）。反向电流虽然很小（锗二极管不超过几微安，硅二极管不超过几十纳安），却和温度有极为密切的关系，温度每升高10℃，反向电流约增大一倍，称为“加倍规则”。反向电流是衡量二极管质量好坏的重要参数之一，反向电流太大，二极管的单向导电性能和温度稳定性就很差，选择和使用二极管时必须特别注意。 图1-2-7 二极管的正向连接图1-2-8二极管的反向连接当加在二极管两端的反向电压增加到某一数值时，反向电流会急剧增大，这种状态称为二极管的击穿。对普通二极管来说，击穿就意味着二极管丧失了单向导电特性而损坏了。 3、伏安特性 1．在正向电压作用下，当正向电压较小时，电流极小。而当超过某一值时（锗管约为0.1V，硅管约为0.5V），电流很快增大。人们习惯地将锗二极管正向电压小于0.1，硅二极管正向电压小于0.5V的区域称为死区。而将0.1V称为锗
二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 1. 正向特性。 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。 2. 反向特性。
晶体管的特性曲线 晶体管特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线： (1) 直观地分析管子的工作状态 (2) 合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 1.测量晶体管特性的实验线路 图1 共发射极电路 共发射极电路：发射极是输入回路、输出回路的公共端。如图1所示。 2．输入特性曲线 输入特性曲线是指当集-射极电压U CE为常数时，输入电路( 基极电路)中基极电流I B与基-射极电压U BE之间的关系曲线I B = f (U BE)，如图2所示。 图2 3DG100晶体管的输入特性曲线 U CE=0V时，B、E间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。 U CE≥1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到
集电极，只有小部分与空穴复合形成I B。U CE>1V以后，I C增加很少，因此I B 的变化量也很少，可以忽略U CE对I B的影响，即输入特性曲线都重合。 由输入特性曲线可知，和二极管的伏安特性一样，晶体管的输入特性也有一段死区。只有在发射结外接电压大于死区电压时，晶体管才会导通，有电流I B。 晶体管死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。晶体管正常工作时发射结电压：NPN型硅管U BE0.6 ~ 0.7) V PNP型锗管U BE0.2 ~ 0.3) V 3．输出特性曲线 输出特性曲线是指当基极电流I B为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流I C与集-射极电压U CE之间的关系曲线I C = f (U CE)，如图3所示。 变化曲线，所以晶体管的输出特性曲在不同的I B下，可得出不同的I C随U CE 线是一族曲线。下面结合图4共发射极电路来进行分析。 图3 3DG100晶体管的输出特性曲线图4 共发射极电路 晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区 (1) 放大区 在放大区I C=βI B，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。 对NPN 型管而言, 应使U BE> 0, U BC< 0，此时，U CE> U BE。 (2) 截止区I B = 0 的曲线以下的区域称为截止区。 I B = 0 时, I C = I CEO(很小)。(I CEO<0.001mA)。对NPN型硅管，当U BE<0.5V 时, 即已开始截止, 为使晶体管可靠截止, 常使U BE≤0。截止时, 集电结也处于反向偏置(U BC≤ 0),此时, I C≈0, U CE≈U CC。 (3) 饱和区当U CE< U BE时，集电结处于正向偏置(U BC> 0)，晶体管工作于饱和状态。
半导体管特性图示仪的使用和晶体管参数测量 一、实验目的 1、了解半导体特性图示仪的基本原理 2、学习使用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和参数。 二、预习要求 1、阅读本实验的实验原理，了解半导体图示仪的工作原理以及XJ4810 型半导体管图示仪的各旋钮作用。 2、复习晶体二极管、三极管主要参数的定义。 三、实验原理 （一）半导体特性图示仪的基本工作原理 任何一个半导体器件，使用前均应了解其性能，对于晶体三极管，只要知道其输入、输出特性曲线，就不难由曲线求出它的一系列参数，如输入、输出电阻、电流放大倍、漏电流、饱和电压、反向击穿电压等。但如何得到这两组曲线呢？最早是利用图4-1 的伏安法对晶体管进行逐点测试，而后描出曲线，逐点测试法不仅既费时又费力，而而且所得数据不能全面反映被测管的特性，在实际中，广泛采用半导体特性图示仪测量的晶体管输入、输出特性曲线。 图4-1 逐点法测试共射特性曲线的原理线路用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和各种直流参量的基本原理是用图4-2（a）中幅度随时间周期性连续变化的扫描电压UCS代替逐点法中的可调电压EC，用图4-2（b）所示的和扫描电压UCS的周期想对应的阶梯电流iB来代替逐点法中可以逐点改变基极电流的可变电压EB，将晶体管的特性曲线直接显示在示波管的荧光屏上，这样一来，荧光屏上光点位置的坐标便代替了逐点法中电压表和电流表的读数。
1、共射输出特性曲线的显示原理 当显示如图4-3 所示的NPN 型晶体管共发射极输出特性曲线时，图示仪内部和被测晶体管之间的连接方式如图4-4 所示. T是被测晶体管,基极接的是阶梯波信号源,由它产生基极阶梯电流ib 集电极扫描电压UCS直接加到示波器(图示仪中相当于示波器的部分,以下同)的X轴输入端,,经X轴放大器放大到示波管水平偏转板上集电极电流ic经取样电阻R得到与ic成正比的电压,UR=ic,R加到示波器的Y轴输入端,经Y轴放大器放大加到垂直偏转板上.子束的偏转角与偏转板上所加电压的大小成正比,所以荧光屏光点水平方向移动距离代表ic的大小,也就是说,荧光屏平面被模拟成了uce-ic 平面. 图4-4 输出特性曲线显示电路输出特性曲线的显示过程如图4-5 所示 当t=0 时, iB =0 ic=0 UCE =0 两对偏转板上的电压均为零,设此时荧光屏上光点的位置为坐标原点。在0-t1,这段时间内,集电极扫描电压UCS 处于第一个正弦半波周期。
第四章晶体二极管与晶体三极管 本章概述：晶体管是采用半导体晶体材料（如硅、锗、砷化镓等）制成的，在 电子产品中应用十分广泛。本章从二、三极管的型号、分类、外形识别及检测等多个方面，对常用二、三极管进行了较为详细和系统的讲解。 第一节晶体二极管和晶体三极管的型号命名方法 一、中华人民共和国国家标准（GB249-74） 国标（GB249-74）半导体器件型号命名由五部分组成，见表4-1。 表4-1 国标半导体器件型号命名方法
例如：锗PNP高频小功率管为3AG11C，即 ３（三极管）Ａ（PNP型锗材料）Ｇ（高频小功率管）１１（序号）Ｃ（规格号）二、美国电子半导体协会半导体器件型号命名法 表4-2 美国电子半导体协会半导体器件型号命名法 三、日本半导体器件型号命名方法 表4-3 日本半导体器件型号命名方法 第二节半导体器件的外形识别
一、晶体二极管的外形识别 1.晶体二极管的结构与特性 定义：晶体二极管由一个PN结加上引出线和管壳构成。所以，二极管实际就是一个PN结。电路图中文字表示符号为用V表示。 基本结构：PN结加上管壳和引线，就成为了半导体二极管。 图4-1 二极管的结构和电路符号 二极管最主要的特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图4-2所示。 1）正向特性 当加在二极管两端的正向电压（P为正、N为负）很小时（锗管小于0.1伏，硅管小于0.5伏），管子不导通，处于“截止”状态，当正向电压超过一定数值后，管子才导通，电压再稍微增大，电流急剧暗加（见曲线I段）。不同材料的二极管，起始电压不同，硅管为0.5-0.7伏左右，锗管为0.1-0.3左右。
二极管符号 二极管（国标） 二极管的判别及参数 1．简述 半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一 样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于 两者之间，所以称为半导体。半导体最重要的两种元素 是硅(读“guī”)和锗(读“zhě”)。我们常听说的美国硅 谷，就是因为起先那里有好多家半导体厂商。 二极管 应该算是半导体器件家族中的元老了。很久以前，人们 热衷于装配一种矿石收音机来收听无线电广播，这种矿 石后来就被做成了晶体二极管。 二极管最明显的性质就是它的单向导电特性，就是说电流只能从一边过去，却不能从另一边过来(从正极流向负极)。我们用万用表来对常见的1N4001型硅整流二极管进行测量，红表笔接二极管的负极，黑表笔接二极管的正极时，表针会动，说明它能够导电；然后将黑表笔接二极管负极，红表笔接二极管正极，这时万用表的表针根本不动或者只偏转一点点，说明导电不良(万用表里面，黑表笔接的是内部电池的正极)。 常见的几种二极管中有玻璃封装的、塑料封装的和金属封装的等几种。像它的名字，二极管有两个电极，并且分为正负极，一般把极性标示在二极管的外壳上。大多数用一个不同颜色的环来表示负极，有的直接标上“-”号。大功率二极管多采用金属封装，并且有个螺帽以便固定在散热器上。 2．半导体二极管的极性判别及选用 (1) 半导体二极管的极性判别
一般情况下，二极管有色点的一端为正极，如2AP1~2AP7，2AP11~2AP17等。如果是透 明玻璃壳二极管，可直接看出极性，即内部连触丝的一头是正极，连半导体片的一头是负极。塑封二极管有圆环标志的是负极，如IN4000系列。 无标记的二极管，则可用万用表电阻档来判别正、负极，万用表电阻档示意图见图T304。根据二 极管正向电阻小，反向电阻大的特点，将万用表拨到电阻档(一般用R×100或R×1k档。不要用R×1或R×10k档，因为R×1档使用的电流太大， 容易烧坏管子，而R×10k挡使用的电压太高， 可能击穿管子)。用表笔分别与二极管的两极相 接，测出两个阻值。在所测得阻值较小的一次，与黑表笔相接得一端为二极管的正极。同理，在所测得较大阻值的一次，与黑表笔相接的一端为二极管的负极。如果测得的正、反向电阻均很小，说明管子内部短路；若正、反向电阻均很大，则说明管子内部开路。在这两种情况下，管子就不能使用了。 (2) 半导体二极管的选用 通常小功率锗二极管的正向电阻值为Array 300~500 Ω，硅管为1 kΩ或更大些。锗管反向电 阻为几十千欧，硅管反向电阻在500 kΩ以上(大功率二极管的数值要大得多)。正反向电阻差值越大越好。点接触二极管的工作频率高，不能承受较高的电压和通过较大的电流，多用于检波、小电流整流或高频开关电路。面接触二极管的工作电流和能承受的功率都较大，但适用的频率较低，多用于整流、稳压、低频开关电路等方面。选用整流二极管时，既要考虑正向电压，也要考虑反向饱和电流和最大反向电压。选用检波二极管时，要求工作频率高，正向电阻小，以保证较高的工作效率，特性曲线要好，避免引起过大的失真。 3．半导体分立元器件命名方法
二极管伏安特性曲线的研究 一、实验目的 通过对二极管伏安特性的测试，掌握锗二极管和硅二极管的非线性特点，从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础。 二、伏安特性描述 对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过(多数载流子导电)，随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时(锗管为0.2V左右，硅管为0.7V左右)，电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。 对上述二种器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。 二极管伏安特性示意图1-1，1-2 图1－1锗二极管伏安特性图1－2硅二极管伏安特性 三、实验设计 图1-3 二极管反向特性测试电路 1、反向特性测试电路 二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。测试电路如图1-3，电阻选择510Ω
2、正向特性测试电路 二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。电源电压在0～10V内调节，变阻器开始设置470Ω，调节电源电压，以得到所需电流值。 图1-4 二极管正向特性测试电路 四、数据记录 见表1-1、1-2 表1-1 反向伏安曲线测试数据表 表1-2 正向伏安曲线测试数据表 注意：实验时二极管正向电流不得超过20mA。 五、实验讨论 1、二极管反向电阻和正向电阻差异如此大，其物理原理是什么？ 2、在制定表1－2时，考虑到二极管正向特性严重非线性，电阻值变化范围很大，在表1－2中加一项“电阻修正值”栏，与电阻直算值比较，讨论其误差产生过程。
几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平 面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固 地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。 面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流” 电路中。 平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 1、正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电 压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。 2、反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当 二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。 二极管的主要参数 用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数： 1、额定正向工作电流 是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。 2、最高反向工作电压 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工
实验题目：晶体管输入输出特性曲线测试电路的设计 班级： 学号： 姓名： 日期：
一、实验目的 1. 了解测量双极型晶体管输出特性曲线的原理与方法 2. 熟悉脉冲波形的产生和波形变换的原理与方法 3. 熟悉各单元电路的设计方法 二、实验电路图及其说明 晶体管共发射极输出特性曲线如图所示，它是由函数i c=f (v CE)|i B=常数，表示的一簇曲线。它既反映了基极电流i B对集电极电流i C 的控制作用，同时也反映出集电极和发射极之间的电压v CE对集电极电流i C的影响。 如使示波器显示图那样的曲线，则应将集电极电流i C取样，加至示波器的Y轴输入端，将电压v CE加至示波器的X轴输入端。若要显示i B为不同值时的一簇曲线，基极电流应为逐级增加的阶梯波形。通常晶体管的集电极电压是从零开始增加，达到某一数值后又回到零值的扫描波形，本次实验采用锯齿波。 测量晶体管输出特性曲线的一种参考电路框图如图所示。 矩形波震荡电路产生矩形脉冲输出电压v O1。该电路一方面经锯齿波形成电路变换成锯齿波v O2，作为晶体管集电极的扫描电压；另一方面经阶梯波形成电路，通过隔离电阻送至晶体管的基极，作为积极驱动电流i B，波形见图3的第三个图（波形不完整，没有下降）。 电阻R C将集电极电流取样，经电压变换电路转换成与电流i C成正比的对地电压V O3,加至示波器的Y轴输入端，则示波器的屏幕上便会显示出晶体管输出特性曲线。 需要注意，锯齿波的周期与基极阶梯波每一级的时间要完全同步（用同一矩形脉冲
产生的锯齿波和阶梯波可以很好的满足这个条件）。阶梯波有多少级就会显示出多少条输出特性曲线。另外，每一整幅图形的显示频率不能太低，否则波形会闪烁。 选作：晶体管特性曲线数目可调： 主要设计指标和要求： 1、矩形波电压（V O1）的频率f大于500Hz,误差为±10Hz，占空比为4%~6%，电压幅度 峰峰值大约为20V。 2、晶体管基极阶梯波V O3的起始值为0，级数为10级，每极电压0.5V~1V。 3、晶体管集电极扫描电压V O2的起始电压为0V，幅度大约为10V。 三、预习 理论计算：电路设计与仿真： 1.矩形波电路：仿真图如下：
二极管简介 一、半导体特点 1. 导电能力在道题和绝缘体之间 2. 热敏性：温度可以明显改变半导体的导电率 3. 光敏性：光照可以明显改变半导体的导电率，还可以产生电动势，这是BJT的光电效应 4. 掺杂性：通过掺入杂质可以明显改变半导体的导电率（在30℃的纯锗中掺入一亿份之一的杂质，电导率增加几百倍） 二、杂质半导体
在本证半导体中加入微量杂质（≤百万份之一），可使其导电性能显著改变。根据掺入杂志的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。 1.N型半导体（电子型） 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷、砷、锑，则构成N行半导体。 2. P型半导体（空穴型） 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼、铝、铟，则构成P型半导体。
3. PN结的反向击穿 当反向电压达到一定数值，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（电击穿）。若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。电击穿是可逆的，热击穿是不可逆的。
点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可用在检波和变频等高频电路中。面接触型二极管PN结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作，可用做工频大电流整流电路。 二、伏安特性 二极管两端的电压U及流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。1. 正向特性 二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如下图所示，当二极管所加正向电压比较小（0＜U＜Vth），二极管上流经的电流为0，管子仍截至，此区域称为死区，Vth称为死区电压（门槛电压）。硅二极管的死区电压约0.5V，锗二极管死区电压约0.1V。
PN结主要的特性就是其具有单方向导电性，即在PN加上适当的正向电压（P 区接电源正极，N区接电源负极），PN结就会导通，产生正向电流。若在PN结上加反向电压，则PN结将截止（不导通），正向电流消失，仅有极微弱的反向电流。当反向电压增大至某一数值时，PN结将击穿（变为导体）损坏，使反向电流急剧增大。 （二）普通二极管 1．二极管的基本结构 二极管是由一个PN结构成的半导体器件，即将一个PN结加上两条电极引线做成管芯，并用管壳封装而成。P型区的引出线称为正极或阳极，N型区的引出线称为负极或阴极，如图所示。 普通二极管有硅管和锗管两种，它们的正向导通电压（PN结电压）差别较大，锗管为0.2~0.3V，硅管为0.6~0.7V。 2．点接触型二极管 如图所示，点接触型二极管是由一根根细的金属丝热压在半导体薄片上制成的。在热压处理过程中，半导体薄片与金属丝接触面上形成了一个PN结，金属丝为正极，半导体薄片为负极。
点接触型二极管的金属丝和半导体的金属面很小，虽难以通过较大的电流，但因其结电容较小，可以在较高的频率下工作。点接触型二极管可用于检波、变频、开关等电路及小电流的整流电路中。 3．面接触型二极管 如图所示，面接触型二极管是利用扩散、多用合金及外延等掺杂质方法，实现P型半导体和N型半导体直接接触而形成PN结的。 面接触型二极管PN结的接触面积大，可以通过较大的电流，适用于大电流整流电路或在脉冲数字电路中作开关管。因其结电容相对较大，故只能在较低的频率下工作。 二极管的分类及其主要参数 一.半导体二极管的分类
半导体二极管按其用途可分为：普通二极管和特殊二极管。普通二极管包括整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、快速二极管等；特殊二极管包括变容二极管、发光二极管、隧道二极管、触发二极管等。 二.半导体二极管的主要参数 1．反向饱和漏电流I R 指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料 和温度有关。在常温下，硅管的I R 为纳安（10-9A）级，锗管的I R 为微安（10-6A） 级。 2．额定整流电流I F 指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。目前大功率整 流二极管的I F 值可达1000A。 3. 最大平均整流电流I O 在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。这是设计时非常重要的值。 4. 最大浪涌电流I FSM 允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。 5．最大反向峰值电压V RM 即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。因给整流器 加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。最大反向峰值电压V RM 指为避 免击穿所能加的最大反向电压。目前最高的V RM 值可达几千伏。 6. 最大直流反向电压V R 上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，V R 是连续加直流电压时的值。用于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的. 7．最高工作频率f M
实验一实验报告 实验名称：晶体二极管特性分析 实验目的： 1.熟悉仿真软件MULTISIM的使用，掌控基于软件的电路设计和仿真分析方法； 2.熟悉PocketLab硬件实验平台，掌握基本功能的使用方法； 3.通过软件仿真和硬件实验验证，掌握基本二极管的基本特性。 实验内容： 一．仿真实验 1.根据如图所示电路，在Multisim中进行仿真分析，得到二极管的伏安特性。 仿真任务：二极管选取型号 1N3064，对直流电压源V1进行DC扫描，扫描范围0~1V，步长0.01V，测量二极管中的电流，得到二极管的伏安特性曲线。 仿真设置：Simulate->Analyses->DC Sweep，设置电压扫描范围和输出变量。 实验结果： 在软件中绘得电路图如下：
对直流电压源V1进行DC扫描，得到二极管的伏安特性曲线如下： 实验结论： 1)在V1电压很小的情况下，二极管不导通。 2)该二极管的导通电压大约为0.7V. 3)导通后二极管呈现低阻性，截止时为高阻性。 2.根据如图所示的半波整流电路，在Multisim 中进行仿真分析，得到输出电压随不 同参数的变化情况。 仿真任务及分析方法： a.固定输入信号频率50HZ,振幅5V，直流电压0V,负载电容C1=10uf,改变负载电阻， 采用Agilent 示波器观察输入输出波形，测量输出电压的平均值和纹波电压，完成表1-1。 b.固定输入信号频率50HZ,振幅5V，直流电压0V,负载电阻R1=10K欧,改变负载电阻， 采用Agilent 示波器观察输入输出波形，测量输出电压的平均值和纹波电压，完成表1-2。 c.根据仿真实验数据，给出输出电压的平均值和纹波电压与负载电阻和负载电容的相 互关系。 仿真设置方法： 1）双击信号源设置输入信号，双击示波器观测波形。 2）Simulate->run 3）Simulate->Analyses->Transient Analysis 实验结果：
近代电子学实验之晶体管特性曲线测试电路
2、锯齿波：幅度0—10V连线可调，输出极性可变。 3、阶梯波：3—10阶连线可调。 4、电压—电流变换器：0.001<=I1<=0.2(mA)，输出电流方向可变（每阶0.001<=Ib<=0.02(mA)）。 实验设计的基本原理： 三极管特性曲线测量电路的基本原理： 晶体三极管为电流控制器件，他们特性曲线的每一根表示当Ib一定时Vc与Ic的关系曲线，一簇表示不同Ib时Vc与Ic的关系曲线的不同关系曲线，就称为单晶体三极管的输出特性曲线，所以在晶体三极管的基级加上阶梯电流源表示不同 Ib。在每级阶梯内测量集射极电压 Vc和集电极定值负载电阻上的电压 Vr,通过电压变换电路将 Vr换算成集电极电流 Ic, 以 Ic作为纵轴, Vc 为横轴, 在数字示波器上即可显示一条晶体管输出特性曲线。示波器的地线与测量电路地不可相通。即测量电路的稳压电源不能接大地。（因为示波器外壳已接大地） 晶体三极管特性曲线测量电路原理框图如下: 框图 在本测量电路中，两种波形的准确性直接影响到了输出曲线的好坏。故在实验中需准确调整主要电阻电容的参数。
电阻R10右边输出的波形就是脉冲方波，之后经过U6积分后，在U6的6脚即可输出锯齿波。 电路中，R5和C1的参数会直接影响到输出锯齿波的波形好坏，所以应注意参数。 2、阶梯波产生部分电路 产生阶梯波的原理： 阶梯波电路如下, 十进制同步计数器 (异步清零 ) 74ls161构成八进制计数器, 将比较器 U1 输出矩形波接至其脉冲端作为触发信号,进行计数。八进制计数器四位输出经过八位 DAC0832进行转换成八级阶梯波电压信号, 再经过放大电路进行放大。 电路中的与非门用于调节阶梯波的阶数，从而实现输出特性曲线中的曲线条数可调。由于74ls161的输出Q0—Q3是四个数的组合，对于该电路使用二输入端与非门作为闸门控制，那么可以得到3—10阶之间的任意数字的阶梯。譬如：Q1、Q0组合，分别接入与非门的两端，那么就可以得到3阶的阶梯波；若Q2、Q3组合，分别接到与非门的两端，即可得到10阶的阶梯波。 该阶梯波是下降的阶梯波，对于实验的结果是不会影响的。 电路图如下：
晶体二极管的特性与检测教案 松江区劳技中心丁珏 一、教学目标： 知识与技能 1、知道晶体二极管的特性、符号和种类； 2、学会用万用表判断整流二极管的极性、发光二极管的好坏。 过程与方法 1、自主探究发现整流二极管的特性； 2、学生在熟练运用万用表的基础上，通过自主探究学习，对整流二极管进行极性判断，对发光二极管进行筛选。 3、在掌握有关知识点技能的基础上，通过拓展探究第二种判断极性的方法。情感态度与价值观 通过晶体二极管的检测，感悟团结协作、主动探究的乐趣。 三、教学重点： 通过自主探究，让学生发现整流二极管的单向导电性，确定判断极性的方法。 四、教学难点： 对二极管单向导电性的理解 五、教学用具： 多媒体设备、万用表、整流二极管、发光二极管、电池夹。 六、教学步骤：
文字符号（V） 图形符号 该图中的箭头表示电流的允许 通过的方向。 2、内部结构： 由P型半导体和N型半导体组成，中间是PN结 3、主要分类：教师介绍（1）整流二极管：用于整流电路，将交流电变成直流电；（2）发光二极管：用于指示灯（3）光电二极管：将光信号转变为电信号的一种电子器件。（4）稳压二极管：稳定电压。 4、整流二极管特性与检测：（1）、特性：教师提出具体要求引导学生主动探究 引导：通过观察二次指针情况，能得出什么结论？ （2）、极性判断 教师提出具体要求引导学生主 动探究 引导：根据特性和红黑棒上电流的流向，如何判断极性？ 初步了解 联系生活中的二极管 进行思考 主动探究寻找并总结 特性：单向导电性： （即电流只能从二极 管的正极流向负极） 交流探究设计判断极 性 结论：当电路导通时， 与黑表棒相连接的是 二极管的正极。 学生活动 表达及意义 知道分类及 日常的应用 引导学生自 主探究的能 力，初立探 究意识 提高学生自 主探究的能 力 达成目标 步骤