低频电子线路
（第 2版）
电子工业出版社电机与电气控制第 1章 半导体二极管及其应用主要内容：
PN结与二极管
二极管的实用简化模型
二极管的分类和应用低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.1 PN结与二极管
1.1.1 PN结及其单向导电性
自然界中的物质按导电能力强弱的不同，可以分为三大类：
导体、绝缘体和半导体。
半导体特性：（ 1）杂敏性 （ 2）热敏性 （ 3）光敏性
在纯净的半导体（又称为本征半导体）中掺入杂质就成了杂质半导体
P型半导体（空穴型半导体）
杂质半导体
N型半导体（电子型半导体 ）
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.1 PN结与二极管
1.1.2 二极管及其伏安特性二极管的结构和符号以及二极管的伏安特性低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.1 PN结与二极管下面对二极管伏安特性曲线加以说明。
（ 1）正向特性
① 正向死区：
OA段为正向死区
② 正向导通区：
AB段为正向导通区
（ 2）反向特性
① 反向截止区：
OC段为反向截止区
② 反向击穿区：
CD段即为反向击穿区二极管具有单向导电性：
从以上的分析及图 1.3可以看出：二极管外加正向电压时，表现为正向导通；二极管外加反向电压时，表现为反向截止，这就是二极管的单向导电性。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.1 PN结与二极管
1.1.3 二极管的主要参数二极管的参数是工程设计中选用二极管的主要依据，二极管的主要参数如下。
1．最大正向电流 IF
2．最高反向工作电压 UR
3．反向电流 IS
如表 1.1所示列出一些常用二极管参数，以供参考。其中，
2AP1～ 2AP7检波二极管（点接触型锗管），在电子设备中用做检波和小电流整流用； 2CZ52～ 2CZ59系列整流二极管，用于电子设备的整流电路中。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型
1.2.1 理想二极管模型我们把二极管的理想特性定义为：正向偏置时电压降为 0；反向偏置时反向电流为 0。
例 1-1 二极管电路如图 1.5所示。二极管为理想的硅二极管，电阻 R=2k?，电源电压 =2V，求回路中的电流 I和电阻 R两端的电压 U。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型
1.2.1 理想二极管模型我们把二极管的理想特性定义为：正向偏置时电压降为 0；反向偏置时反向电流为 0。
例 1-1 二极管电路如图 1.5所示。二极管为理想的硅二极管，电阻 R=2k?，电源电压 =2V，求回路中的电流 I和电阻 R两端的电压 U。
解：题中已知的二极管为理想二极管，所以其两端的正向压降为 0。由图可得
I= = =1mA U=UDD=R× I=2V
低频电子线路（第 2版）
DDUR 2V2k?
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型
1.2.2 恒压降二极管模型
（ 1）二极管有一个导通电压，只有当正向电压超过导通电压后，
二极管才导通，否则二极管不导通，电流为 0。
（ 2）二极管导通后，规定其两端的正向电压为常量，通常硅管取 0.7V，锗管取 0.3V。
（ 3）反偏时电流为 0。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型
1.2.2 恒压降二极管模型例 1-2 二极管电路如图 1.7所示。二极管为硅二极管，其正向导通压降为 0.7V，电阻 R=2k?，电源电压 =10V，求回路中的电流 I和电阻 R两端的电压 U。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型
1.2.2 恒压降二极管模型例 1-2 二极管电路如图 1.7所示。二极管为硅二极管，其正向导通压降为 0.7V，电阻 R=2k?，电源电压 =10V，求回路中的电流 I和电阻 R两端的电压 U。
解：题中已知硅二极管的正向导通压降为
0.7V，所以由图可得
I= = = 4.65mA
U = RI = UDD?0.7V = 10V?0.7V = 9.3V
低频电子线路（第 2版）
DD 0.7VU R? 10V 0.7V
2k
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型
1.2.3 折线近似的二极管模型图 1.8 二极管特性的折线近似低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型例 1-3 二极管电路及所用二极管的折线近似特性曲线如图 1.9
所示。电阻 R=680?，电源电压 =6V，求回路中的电流 I和二极管两端的电压 U。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型例 1-3 二极管电路及所用二极管的折线近似特性曲线如图 1.9
所示。电阻 R=680?，电源电压 =6V，求回路中的电流 I和二极管两端的电压 U。
解：由图 1.9可知，当加在二极管两端的正向电压大于 0.6伏时，二极管正向导通，导通后的等效电阻
= = = 24?
再根据图 1.8的二极管等效电路，可通过计算得到
I= ≈ 7.67mA U = 0.6+7.67 × 24× 10-3 = 0.78V
低频电子线路（第 2版）
d(on)R
UI 0.72 0.65?
24680 6.06
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
1.3.1 普通整流二极管及其应用
普通整流二极管按所用的半导体材料的不同分为锗管和硅管；
按其工艺和内部结构的不同又分为点接触型和面接触型二极管。
点接触型二极管 PN结的面积小，适用于高频小电流场合工作；
面接触型二极管 PN结的面积大，适用于低频大电流场合工作。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
1.3.1 普通整流二极管及其应用
1．二极管在整流电路中的应用在工程应用中，常常需要利用二极管的单向导电性，将交流输入电压变为直流电压，如图 1.10所示。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
1.3.1 普通整流二极管及其应用
2．二极管在钳位电路中的应用在工程应用中，二极管还常常用在钳位电路中，如图 1.11所示。在某些器件（如第 3章的 MOS管）的输入端，所加的电压必须要维持在一定的范围内，否则就会因电压过高或过低而损坏器件。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
1.3.2 稳压二极管及其应用
1．稳压管的特性稳压管是利用二极管的反向击穿特性，并用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，它具有低压击穿特性。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
2．稳压管的主要参数
（ 1）稳定电压 UZ。 UZ是指稳压管正常工作时其两端所具有的电压值，它近似等于稳压管反向击穿电压，每个稳压管只有一个稳定电压 UZ,即使同一型号管子的 UZ值也具有一定的分散性。
（ 2）最大稳定电流 IZmax。 IZmax是指稳压管长期工作所允许通过的最大工作电流。
（ 3）最小稳定电流 IZmin。 IZmin是稳压管进入正常稳压状态所必需的起始电流。
（ 4）动态电阻 rZ。 rZ是指稳压管两端电压变化量与通过的电流变化量之比值（ rZ =?UZ/?IZ），显然 rZ愈小，说明?rZ引起的?UZ变化就愈小，稳压管的稳压性能就愈好。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
3．稳压管的应用
（ 1）电路的工作原理。由稳压管特性可知，在电路中若能使稳压管始终工作在
IZmin＜ IZ＜ Izmax
的区域内，则稳压管上的电压 UZ
基本上是稳定的，而 Uo=UZ，所以输出电压是稳定的。电路中 R
为限流电阻，它起到限流与调节输出电压的作用。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
3．稳压管的应用若负载电阻 RL不变而 Uin增大时，输出电压 Uo有增加的趋势，这一趋势将引起下列过程：
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
3．稳压管的应用
（ 2）限流电阻的选择。由图 1.13可看出，所需稳定的输出电压 Uo实际上就是稳压管的稳定电压 UZ，因此，要使输出电压 Uo稳定不变，则必须确保在容许的输入电压和负载电阻变化范围内，稳压管的工作电流 IZ满足,IZmin＜ IZ＜ IZmax。
限流电阻 R的主要作用是：当输入电压波动和负载电阻 RL
变化时，将稳压管的电流限制在 IZmin～ IZmax范围内。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
3．稳压管的应用例 1-4 在如图 1.13所示的电路中，稳压管的参数为：
UZ=8V，正常工作电流为 2mA，
IZmax = 20mA，输入电压
Uin=(18?2)V，负载电阻由开路变到 1k?，如何选择限流电阻？
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1.3 二极管的分类和应用
3．稳压管的应用例 1-4 在如图 1.13所示的电路中，稳压管的参数为：
UZ=8V，正常工作电流为 2mA，
IZmax = 20mA，输入电压
Uin=(18?2)V，负载电阻由开路变到 1k?，如何选择限流电阻？
解：一般把正常工作电流视为稳压管的 IZmin,即 IZmin =2mA；由题意知 RLmax =?,RLmin = 1k?；则 ILmax=UZ/RLmin = 8 mA，
ILmin= 0；而 IZmax = 20mA，所以，
则 700?≤ R≤1.25k?，选择 R=1k?。
低频电子线路（第 2版）
in m a x Zm in
L m in Z m a x
18 2 6 700 ( )
0 20
UUR
II
in m in Z
m a x
L m a x Z m in
18 2 6 1.2 5 ( k )
62
UUR
II
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
1.3.4 发光二极管及其应用
1．发光二极管基本知识发光二极管（ LED）也是具有一个 PN结的半导体器件，通常由砷化镓、磷化镓等化合物半导体材料制成。当这种管子通以电流时就会发光，光的颜色主要取决于制造所用的半导体材料。目前市场上发光二极管主要的颜色有红、橙、黄、绿等。
低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.3 二极管的分类和应用
2．发光二极管的应用发光二极管是一种新型冷光源。由于它体积小，用电省，工作电压低，寿命长，单色性好和响应速度快，因此常用来作为显示器。除了单个使用外，还可做成七段式数码显示器、矩阵显示屏等。
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电子工业出版社电机与电气控制第 1章 半导体二极管及其应用主要内容：
PN结与二极管
二极管的实用简化模型
二极管的分类和应用低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.1 PN结与二极管
1.1.1 PN结及其单向导电性
自然界中的物质按导电能力强弱的不同，可以分为三大类：
导体、绝缘体和半导体。
半导体特性：（ 1）杂敏性 （ 2）热敏性 （ 3）光敏性
在纯净的半导体（又称为本征半导体）中掺入杂质就成了杂质半导体
P型半导体（空穴型半导体）
杂质半导体
N型半导体（电子型半导体 ）
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1.1 PN结与二极管
1.1.2 二极管及其伏安特性二极管的结构和符号以及二极管的伏安特性低频电子线路（第 2版）
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1.1 PN结与二极管下面对二极管伏安特性曲线加以说明。
（ 1）正向特性
① 正向死区：
OA段为正向死区
② 正向导通区：
AB段为正向导通区
（ 2）反向特性
① 反向截止区：
OC段为反向截止区
② 反向击穿区：
CD段即为反向击穿区二极管具有单向导电性：
从以上的分析及图 1.3可以看出：二极管外加正向电压时，表现为正向导通；二极管外加反向电压时，表现为反向截止，这就是二极管的单向导电性。
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1.1 PN结与二极管
1.1.3 二极管的主要参数二极管的参数是工程设计中选用二极管的主要依据，二极管的主要参数如下。
1．最大正向电流 IF
2．最高反向工作电压 UR
3．反向电流 IS
如表 1.1所示列出一些常用二极管参数，以供参考。其中，
2AP1～ 2AP7检波二极管（点接触型锗管），在电子设备中用做检波和小电流整流用； 2CZ52～ 2CZ59系列整流二极管，用于电子设备的整流电路中。
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1.2 二极管的实用简化模型
1.2.1 理想二极管模型我们把二极管的理想特性定义为：正向偏置时电压降为 0；反向偏置时反向电流为 0。
例 1-1 二极管电路如图 1.5所示。二极管为理想的硅二极管，电阻 R=2k?，电源电压 =2V，求回路中的电流 I和电阻 R两端的电压 U。
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1.2 二极管的实用简化模型
1.2.1 理想二极管模型我们把二极管的理想特性定义为：正向偏置时电压降为 0；反向偏置时反向电流为 0。
例 1-1 二极管电路如图 1.5所示。二极管为理想的硅二极管，电阻 R=2k?，电源电压 =2V，求回路中的电流 I和电阻 R两端的电压 U。
解：题中已知的二极管为理想二极管，所以其两端的正向压降为 0。由图可得
I= = =1mA U=UDD=R× I=2V
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1.2 二极管的实用简化模型
1.2.2 恒压降二极管模型
（ 1）二极管有一个导通电压，只有当正向电压超过导通电压后，
二极管才导通，否则二极管不导通，电流为 0。
（ 2）二极管导通后，规定其两端的正向电压为常量，通常硅管取 0.7V，锗管取 0.3V。
（ 3）反偏时电流为 0。
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1.2 二极管的实用简化模型
1.2.2 恒压降二极管模型例 1-2 二极管电路如图 1.7所示。二极管为硅二极管，其正向导通压降为 0.7V，电阻 R=2k?，电源电压 =10V，求回路中的电流 I和电阻 R两端的电压 U。
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1.2 二极管的实用简化模型
1.2.2 恒压降二极管模型例 1-2 二极管电路如图 1.7所示。二极管为硅二极管，其正向导通压降为 0.7V，电阻 R=2k?，电源电压 =10V，求回路中的电流 I和电阻 R两端的电压 U。
解：题中已知硅二极管的正向导通压降为
0.7V，所以由图可得
I= = = 4.65mA
U = RI = UDD?0.7V = 10V?0.7V = 9.3V
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DD 0.7VU R? 10V 0.7V
2k
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1.2.3 折线近似的二极管模型图 1.8 二极管特性的折线近似低频电子线路（第 2版）
电机与电气控制
1.2 二极管的实用简化模型例 1-3 二极管电路及所用二极管的折线近似特性曲线如图 1.9
所示。电阻 R=680?，电源电压 =6V，求回路中的电流 I和二极管两端的电压 U。
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1.2 二极管的实用简化模型例 1-3 二极管电路及所用二极管的折线近似特性曲线如图 1.9
所示。电阻 R=680?，电源电压 =6V，求回路中的电流 I和二极管两端的电压 U。
解：由图 1.9可知，当加在二极管两端的正向电压大于 0.6伏时，二极管正向导通，导通后的等效电阻
= = = 24?
再根据图 1.8的二极管等效电路，可通过计算得到
I= ≈ 7.67mA U = 0.6+7.67 × 24× 10-3 = 0.78V
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UI 0.72 0.65?
24680 6.06
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1.3 二极管的分类和应用
1.3.1 普通整流二极管及其应用
普通整流二极管按所用的半导体材料的不同分为锗管和硅管；
按其工艺和内部结构的不同又分为点接触型和面接触型二极管。
点接触型二极管 PN结的面积小，适用于高频小电流场合工作；
面接触型二极管 PN结的面积大，适用于低频大电流场合工作。
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1.3 二极管的分类和应用
1.3.1 普通整流二极管及其应用
1．二极管在整流电路中的应用在工程应用中，常常需要利用二极管的单向导电性，将交流输入电压变为直流电压，如图 1.10所示。
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1.3 二极管的分类和应用
1.3.1 普通整流二极管及其应用
2．二极管在钳位电路中的应用在工程应用中，二极管还常常用在钳位电路中，如图 1.11所示。在某些器件（如第 3章的 MOS管）的输入端，所加的电压必须要维持在一定的范围内，否则就会因电压过高或过低而损坏器件。
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1.3 二极管的分类和应用
1.3.2 稳压二极管及其应用
1．稳压管的特性稳压管是利用二极管的反向击穿特性，并用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，它具有低压击穿特性。
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2．稳压管的主要参数
（ 1）稳定电压 UZ。 UZ是指稳压管正常工作时其两端所具有的电压值，它近似等于稳压管反向击穿电压，每个稳压管只有一个稳定电压 UZ,即使同一型号管子的 UZ值也具有一定的分散性。
（ 2）最大稳定电流 IZmax。 IZmax是指稳压管长期工作所允许通过的最大工作电流。
（ 3）最小稳定电流 IZmin。 IZmin是稳压管进入正常稳压状态所必需的起始电流。
（ 4）动态电阻 rZ。 rZ是指稳压管两端电压变化量与通过的电流变化量之比值（ rZ =?UZ/?IZ），显然 rZ愈小，说明?rZ引起的?UZ变化就愈小，稳压管的稳压性能就愈好。
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3．稳压管的应用
（ 1）电路的工作原理。由稳压管特性可知，在电路中若能使稳压管始终工作在
IZmin＜ IZ＜ Izmax
的区域内，则稳压管上的电压 UZ
基本上是稳定的，而 Uo=UZ，所以输出电压是稳定的。电路中 R
为限流电阻，它起到限流与调节输出电压的作用。
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3．稳压管的应用若负载电阻 RL不变而 Uin增大时，输出电压 Uo有增加的趋势，这一趋势将引起下列过程：
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3．稳压管的应用
（ 2）限流电阻的选择。由图 1.13可看出，所需稳定的输出电压 Uo实际上就是稳压管的稳定电压 UZ，因此，要使输出电压 Uo稳定不变，则必须确保在容许的输入电压和负载电阻变化范围内，稳压管的工作电流 IZ满足,IZmin＜ IZ＜ IZmax。
限流电阻 R的主要作用是：当输入电压波动和负载电阻 RL
变化时，将稳压管的电流限制在 IZmin～ IZmax范围内。
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3．稳压管的应用例 1-4 在如图 1.13所示的电路中，稳压管的参数为：
UZ=8V，正常工作电流为 2mA，
IZmax = 20mA，输入电压
Uin=(18?2)V，负载电阻由开路变到 1k?，如何选择限流电阻？
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3．稳压管的应用例 1-4 在如图 1.13所示的电路中，稳压管的参数为：
UZ=8V，正常工作电流为 2mA，
IZmax = 20mA，输入电压
Uin=(18?2)V，负载电阻由开路变到 1k?，如何选择限流电阻？
解：一般把正常工作电流视为稳压管的 IZmin,即 IZmin =2mA；由题意知 RLmax =?,RLmin = 1k?；则 ILmax=UZ/RLmin = 8 mA，
ILmin= 0；而 IZmax = 20mA，所以，
则 700?≤ R≤1.25k?，选择 R=1k?。
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in m a x Zm in
L m in Z m a x
18 2 6 700 ( )
0 20
UUR
II
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m a x
L m a x Z m in
18 2 6 1.2 5 ( k )
62
UUR
II
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1.3 二极管的分类和应用
1.3.4 发光二极管及其应用
1．发光二极管基本知识发光二极管（ LED）也是具有一个 PN结的半导体器件，通常由砷化镓、磷化镓等化合物半导体材料制成。当这种管子通以电流时就会发光，光的颜色主要取决于制造所用的半导体材料。目前市场上发光二极管主要的颜色有红、橙、黄、绿等。
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1.3 二极管的分类和应用
2．发光二极管的应用发光二极管是一种新型冷光源。由于它体积小，用电省，工作电压低，寿命长，单色性好和响应速度快，因此常用来作为显示器。除了单个使用外，还可做成七段式数码显示器、矩阵显示屏等。
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