1、第第1章半导体二极管及其应用章半导体二极管及其应用 1.1.1本征半导体本征半导体 半导体 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，常用的半导体材料主要有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等，其中最常用的是硅材料。本征半导体 纯净的具有单晶结构的半导体称为本征半导体。1.1半导体基础知识半导体基础知识 本征激发 当温度升高或受到光线照射时，某些价电子由于获得了足够的能量，挣脱共价键的束缚而成为自由电子，产生电子空穴对的现象。常温下，本征激发载流子的浓度很低，导电能力很差。载流子 借以导电的带电离子。半导体中的载流子有带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴两种。复合 自由电子和空穴在运动
2、中相遇时会重新结合而成对消失的现象。漂移运动 半导体中的自由电子和空穴两种载流子在电场的作用下产生的定向运动。扩散运动 半导体中的自由电子和空穴两种载流子在浓度差的作用下产生的定向运动。1.1.2杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素后生成的半导体。根据掺入杂质元素不同，可分为电子（N）型半导体和空穴（P）型半导体两大类。N型半导体 掺入五价元素的杂质（如磷），形成的电子型半导体。N型半导体中，自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。P型半导体 掺入三价元素的杂质（如硼），形成的空穴型半导体。P型半导体中空穴为多数载流子 （简称多子），自由电子为少数
3、载流子（简称少子）。杂质半导体中载流子和杂质离子结构的简易画法，如图1.1.3所示。必须指出：杂质离子虽然带电荷，但由于在晶格中而不能移动，因此它不是载流子；杂质半导体中虽然有一种载流子占多数，但整个半导体仍呈电中性。1.1.3PN结及其单向导电特性结及其单向导电特性 1、PN结 在同一块本征半导体的基片（如硅片）中，P型（P区）半导体和N型（N区）半导体由于载流子浓度的差异产生的扩散运动，使P区与N区交界面附近形成的由不能移动的正、负离子构成的空间电荷区。因为空间电荷区的多数载流子已扩散并复合掉了，或者说被耗尽了又称为耗尽层；因为空间电荷区的电阻率很高，故又称为高电阻区；空间电荷区建立的内电
4、场将阻止多子的扩散运动（同时内电场会促进少子的漂移运动），因此空间电荷区又称为阻挡层。当扩散运动和漂移运动相抵，达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内电场的强度就确定了，PN结就形成了。2、PN结的单向导电特性 PN结没有外加电压时，PN结保持平衡，流过PN结的总电流为零。在PN结两端外加电压的作用下，PN结原来的平衡状态将被改变。加在PN结上的外加电压称为偏置电压，若P区接电源正极，N区接电源负极，称为正向偏置，简称正偏；反之，则称为反向偏置，简称反偏。（1）PN结正向偏置 当P区接电源正极，N区接电源负极，PN结正偏电压增加至一定数值后，多子的扩散运动通过外加电源回路形成的正向电流将显著增加
5、，此时，PN结呈现的电阻很小，称为正向导通状态。为了防止正向电流过大而损坏PN结，正偏时应在回路中串接适当大小的限流电阻。（2）PN结反向偏置 当P区接电源负极，N区接电源正极，PN结反偏时，少子的漂移运动通过外加电源回路形成很小（一般为微安级）的反向电流（反向电流几乎不随外加电压而变化，故又称为反向饱和电流），此时，PN结呈现的电阻很大，称为反向截止状态。由于少数载流子是本征激发产生的，本征激发与温度有关，所以反向电流的大小与温度有关。综上所述，PN结在外加电场的作用下，正偏导通，反偏截止，具有单向导电的特性。1.2半导体二极管半导体二极管 1.2.1二极管的结构及符号二极管的结构及符号 把
6、按一定工艺要求制作形成的PN结的P区和N区分别用电极引线引出，并以外壳封装，就制成了半导体二极管（或称晶体二极管，以下简称二极管），其外部形像如图1.2.1（a）所示；几种常用的二极管的外形如图1.2.1（b）所示；二极管的内部结构如图1.2.1（c）所示；二极管的电路符号如图1.2.1（d）所示，文字符号用D表示。从P区接出的引线称为二极管的阳极（A）或正极（），从N区接出的引线称为二极管的阴极（K）或负极（-）。二极管电路符号中的三角箭头表示二极管正向导通时正向电流的流通方向。二极管的种类很多，常用的半导体二极管按制造材料分，有硅二极管和锗二极管等；按用途分，有整流二极管、稳压二极管、变容
7、二极管、发光二极管等；按结构分，有点接触型二极管和面接触型二极管等。1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性 一个PN结封装后就是一个二极管，理论证明，由理想指数模型构成的PN结，其伏安特性可表示为：式中，iD为通过PN结的电流，方向从阳极指向阴极；vD为PN结两端的外加电压，方向从阳极指向阴极；VT为温度的电压当量，VTkT/q，k为波耳兹曼常数（1.3810-23J/K），T为热力学温度，0273.16K，q为电子电荷（1.610-19C）；室温即T300K时，VT26mV；e为自然对数的底，e2.718；Is为反向饱和电流，分立器件典型值约为10-810-14A。实际二极管的伏安特性曲
8、线一般都是通过实测得到的，如图1.2.3所示。它与由式（1.2.1）描绘的特性基本上是相同的。因此测量精度越高，伏安特性曲线越逼近实际器件的特性。1、正向特性 对应于图1.2.3的第段为正向特性。当二极管两端所加的正向电压vD（方向从阳极指向阴极）较小时，正向电流几乎为零，二极管呈现的电阻较大，这个区域通常称为死区。当二极管两端的正向电压vD超过一定数值VD(th)时，流过二极管的电流iD将随外加电压的微小增加迅速增长，二极管正向导通。VD(th)叫做门坎电压或阀值电压，在室温下，小功率硅管约为0.5V，小功率锗管约为0.1V。正常使用，在二极管所能承受的电流范围内，二极管的正向导通压降VF很
9、小，硅管约为0.60.8V，锗管约为0.20.3V，且几乎维持恒定不变，工程上一般取硅管为0.7V，锗管为0.2V。并用符号VD(on)表示，称为正向导通压降。2、反向特性 对应于图1.2.3的第段为反向特性。二极管在反向电压作用下，形成很小且基本与反向电压的大小无关的反向饱和电流。一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率的硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率的锗管在A数量级。温度升高时，反向饱和电流也随之增加。由正向及反向特性可直观地看出：（1）二极管是非线性器件；（2）二极管具有单向导电特性，二极管两端的外加电压大于阀值电压时导通，小于阀值电压时截止。3、反向击穿特性 当反向电压增加到一定
10、数值VBR时，反向电流剧增，二极管呈现反向击穿状态，这实际上就是二极管中的PN结被反向击穿了，如图1.2.3的第段所示。由于PN结已被击穿，故此段的伏安特性不适用于式（1.2.1）。4、温度对二极管特性的影响 二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动，相对于同一正向电流的正向压降减小；反向特性曲线向下移动，反向电流增大，如图1.2.4所示。变化的规律是：在室温附近，iD一定时，温度每升高1，正向压降约减小2.5mV；温度每升高10，反向电流约增大一倍。若温度过高，可能导致PN结失去单向导电的特性。1.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数器件的参数是器件特性的定量
11、描述，是合理选择和正确使用器件的依据。二极管有以下一些主要参数：1、最大整流电流IFIF指管子长期工作时，允许通过的最大正向平均电流，若超过此值，有可能烧坏二极管。2、最高反向工作电压VRMVRM指二极管工作时所允许施加在二极管两端的最高反向电压，若超过此值二极管就有可能被反向击穿。3、反向电流IRIR是在室温下，二极管未被击穿时的反向电流值。4、结电容Cj 结电容Cj是反映二极管中PN结电容效应的参数。PN结的高频等效电路如图1.2.5所示，其中rd表示PN结的结电阻，Cj表示结电容。5、最高工作频率fM fM主要由PN结电容的大小决定。二极管的工作频率超过此值时，二极管可能失去单向导电性。
12、二极管的主要参数可以从器件手册上查到，特别要注意的是二极管工作时其电路参数不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则二极管容易损坏。另外，手册上所给参数是在一定的测试条件下测得的，使用时要注意这些条件。若条件改变，相应的参数值也会发生变化。另外，由于制造工艺的限制，即使是同一型号的器件，参数的离散性也很大，手册上常给出参数的范围。表1.2.1列出了几种二极管的典型参数，以供参考。1.3二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法 1.3.1二极管的电路模型二极管的电路模型 二极管是一种非线性器件，在工程分析计算中，通常是根据电路的不同的工作条件和要求，在分析计算精度允许的条件下，把非线性的二极管
13、转化为不同的线性电路模型来描述，从而使分析计算变得简单明了。1、理想模型 当二极管的正向压降和正向电阻与外接电路的等效电压和等效电阻相比较均可忽略时，可用图1.3.1（a）与坐标轴重合的实线来代替用虚线描述的二极管的伏安特性。这样的二极管可视为是理想的，图1.3.1（b）是它的电路符号。它在电路中相当于一个理想的开关，正向偏置时，二极管导通，其管压降为0；反向偏置时，二极管截止，流过它的电流为0，视其反向电阻为无穷大，其工作情况分别如图1.3.1（c）和图1.3.1（d）所示。2、恒压降模型图图1.3.3折线模型折线模型 当二极管的正向压降与外加电压相比较，相差不是很大，而二极管的正向电阻与外
14、接电阻相比较可以忽略时，可用图1.3.2所示的二极管恒压降模型来近似表示实际的二极管。恒压降模型将二极管的阀值电压VD(th)和正向管压降VF视为同一个恒定值VD(on)（通常工程上取小功率普通硅二极管为0.7V，锗二极管为0.2V），用一个电压恒定的恒压源与一理想二极管（相当于一个理想的开关）串联表示，如图1.3.2所示。不过，只有当二极管的工作电流iD1mA时，才能用恒压降模型来代替实际的二极管。显然，恒压降模型比理想模型更接近实际二极管的特性，因此应用比较广泛。3、折线模型 为了更真实地反映二极管正向导通时的特性，可用两段折线来近似地表示二极管伏安特性曲线的正向特性，并设定转折点的电压为
15、VD(on)，如图1.3.3所示。当二极管两端电压vD小于VD(on)时，iD0；当vD大于VD(on)后，随着vD的增加，iD沿折线迅速增加，折线的斜率为 ，斜率的倒数为二极管的导通 电阻rD，它表示在大信号作用下，二极管导通后呈现的电阻。由于二极管特性的离散性，rD的值不是固定不变的，其阻值较小，约为几十。DDvi 4、交流小信号模型 如果二极管电路中，既含有直流电源，又含有交流信号电源，这种情况是电子电路通常的工作模式。分析计算这种交、直流量共存的电子电路，常用的方法是对直流状态和交流状态分别进行分析计算，称为静态分析和动态分析，然后再进行综合。对低频交流小信号而言，二极管可以近似地等效
16、为一个电阻rd。由图1.3.4（a）可以看出，rd的大小与Q点所处的位置有关。Q点位置不同，所对应的电压与电流值不同，则rd的值也不同。rd的值可由PN结方程式（1.2.1）求得，TQQTDQTSQSDQDDdTDTD)1(1VIVIVIIdvddvdireeVvVv由此得出 QK300TQTdmV26IIVr（1.3.1）值得注意的是，交流小信号模型只适用于二极管处于正向导通且信号为变化幅度较小的低频情况。【例例1.3.1】二极管电路如图1.3.5所示，试分别用二极管的（1）理想模型、（2）恒压降模型、（3）折线模型分析计算回路电流ID和输出电压VO。设二极管D为小功率硅管，VD(on)0.
17、7V，rD20。解：解：（1）如图1.3.5所示。由图1.3.5（b）理想模型，二极管D开始工作前的外加电压VD（12）（18）V6V0，二极管D正偏导通，导通后，VD0V，（2）由图1.3.5（c）恒压降模型，二极管D开始工作前的外加电压VD6V0，二极管D正偏导通，导通后，VD0.7V，（3）由图1.3.5（d）折线模型，二极管D开始工作前的外加电压VD（12）0.7（18）V5.3V0，二极管D正偏导通，62.2mA02.02)18(127.0DRDDrRVVIr76.12V18262.2S2DO）（VRIVmAV 【例【例1.3.2.1】如图1.3.6.1所示二极管电路，发光二极管D1
18、、D2的正向导通压降都是1.66V，试求输出电压VO。解：解：如图所示，D1、D2开始工作前的外加电压VD112V，VD212（6）V18V，虽然VD1、VD2均大于1.66V，但VD2VD1，D2优先导通，D2导通后，VD1（1.666）V4.34V，D1反偏截止，所以VO（1.666）V4.34V 【例【例1.3.3】二极管电路如图1.3.7（a）所示，输入信号vi（t）的波形如图1.3.7（b）所示。设二极管D的正向导通压降VD(on)0.7V，导通电阻rD30，试画出输出电压vo（t）的波形，并标出各个转折点的纵坐标数值。解：解：如图1.3.7所示电路，由二极管折线模型，有等效电路如图
19、1.3.8（a）所示。二极管D开始工作前的外加电压vD V V。当vi（t）4.7V时，二极管D反偏截止，vo（t）4V；当vi（t）4.7V时，二极管D正偏导通，当vi（t）10V，vo（t）6.48V。由此可画出vo（t）的波形如图1.3.8（b）所示。)47.0()(tvi7.4)(tvi 1.3.2图解分析法和微变等效电路分析法图解分析法和微变等效电路分析法 图解分析法和微变等效电路分析法是电子线路中常用的两种分析计算方法。图解分析法常用于非线性器件的大信号分析，微变等效电路分析法常用于既有直流信号又有交流小信号的电子线路的综合分析。1、二极管电路的图解分析法 若如图1.3.9（a）所
20、示电路中，二极管正向导通压降的变化不可忽略，或者说二极管电路的非线性不可忽略，且二极管的伏安特性曲线是为已知量时，则应采用图解分析法。由图1.3.9（a）电路可列方程 vDvSiDR（1.3.2）式中，vD与iD分别表示二极管两端压降和流过二极管的电流。式（1.3.2）是一线性方程，对应的是一条直线，如图1.3.9（b）所示，该直线在两坐标轴上的交点分别为 图1.3.9（b）所示的伏安特性曲线，为已知二极管伏安特性曲线的正向特性段。显然直线与曲线的交点Q所对应的值（IQ、VQ）便是所需求的二极管电路的解。通常将二极管外电路所描绘的直线称为二极管的负载线，Q点称为二极管的工作点。2、二极管电路的
21、微变等效电路分析法 【案例分析案例分析1.3.1】如图1.3.10（a）所示的二极管电路，VDD为直流电压源，vi为交流小信号电压源，C为隔离直流、耦合交流信号的耦合电容，设定它对交流信号的容抗近似为0，试求流过二极管的电流iD和输出电压vO。分析、求解：分析、求解：由于加在二极管两端的电压既有直流成分，又有交流成分，所以流过二极管的电流和输出的电压信号中也既有直流成分，又有交流成分。如前所述，对于这种电路，常用的方法是对直流成分和交流成分分别进行分析，然后再进行综合。用恒压降模型和交流小信号模型做等效变换，可将非线性的器件二极管视为线性器件，由叠加定理：当VDD单独作用（vi0）时，等效电路
22、如图1.3.10（b）所示，当vi单独作用（VDD0）时，等效电路如图1.3.10（c）所示，电路综合，则有 根据前面所讲述的图解法，可画出iD、vO的波形图，如图1.3.11所示。图中的Q点称为二极管的直流（静态）工作点；二极管外直流电路所描绘的直线称为二极管的直线负载线；VO/IO称为二极管在Q点的直流电阻RD。显然，在作上述等效变换时应有Vim VQ，工程上 一般限定Vim5.2mV。由于这种分析方法是交流输入小信号在直流工作点附近作微小的变化的基础上展开的，故又称之为微变等效电路分析法。【例例1.3.4】设图1.3.10（a）电路中,mV，VDD5V，R1k，C20F，D为小功率硅管，
23、VD(on)0.7V，试求iD和vO。解：解：如图1.3.10所示，用恒压降模型和交流小信号模型作等效变换，依叠加定理有：tv2000sin23i1.4二极管应用电路二极管应用电路 利用二极管的单向导电性，可以组成多种应用电路，如整流电路、限幅电路、钳位电路、检波电路、开关电路等。下面介绍几种简单的二极管应用电路。1.4.1整流电路整流电路 利用二极管的单向导电性，将交流电变换为单向脉动直流电的电路，称为整流电路。半波整流电路 二极管半波整流电路如图1.4.1（a）所示，输入信号vi为正弦波。根据二极管理想模型的特性可知，当在vi 的一个周期中，当vi为正半周时，二极管由于正偏而导通，且vov
24、i；当vi为负半周时，二极管由于反偏而截止，vo0。由此绘出的输出电压波形如图1.4.1（b）中的vo所示。由此可以看出，输出电压vo为一单向脉动的直流信号。半波整流电路的特点是电路结构简单，但负载上只在vi的正半周内有输出信号。1.4.2限幅电路限幅电路 利用二极管的单向导电和正向导通后其正向导通压降基本恒定的特性，可将输出信号的幅值电压限制在一定的范围内。【案例分析案例分析1.4.1】二极管双向限幅电路如图1.4.3（a）所示。设二极管D1、D2为理想二极管，vi 为幅值大于恒定电压V1、V2的正弦波。分析、求解：分析、求解：在vi的正半周，当vi的瞬时值大于V1时，D1导通，D2截止，v
25、ov1；当vi的瞬时值小于V1时，D1、D2均截止，vovi。在vi的负半周，若viV2时，D1、D2均截止，vovi；若viV2时，D2导通，D1截止，voV2。由此可以得到双向限幅的输出电压信号波形，如图1.4.3（b）所示。若考虑到二极管的正向导通压降VD(on)，则输出电压的上、下限幅值分别为 V1V1VD(on)，V2（V2VD(on)），显然，电路中的恒压源V1、V2是用来限制输出信号上、下幅值的调控源。在电子线路中，常用限幅电路对各种信号进行处理，以使输入信号在预置的电压范围内，有选择地传输一部分。二极管的限幅电路也可用作保护电路，以防止半导体器件由于过压而被烧坏。1.4.3钳位
26、电路钳位电路 【案例分析案例分析1.4.2】由二极管和电容器构成的钳位电路如图1.4.4（a）所示，设输入信号viVmsint V，如图1.4.4（b）所示，二极管D为理想器件，电容器C的初始电压为零。试求对应的输出电压vo。分析、求解：分析、求解：在0 期间，D正偏导通，vo0；C被充电，使vc由0值随vi上升充电至峰值Vm，如图1.4.1（c）所示。在 期间，vi逐渐减小，D反偏截止；C没有放电回路，vc保持在Vm不变，vovcviVmvi。此后，二极管D一直处于反偏截止状态，输出电压voVmVmsint，如图1.4.4（d）所示。4T24TT 由上述分析可以看出，钳位电路将输入信号vi的
27、波形向下平移了Vm，将输出电压限制在零伏以下。或者说，钳位电路的作用是保持输入信号的形状基本不变，而将其顶部或底部的电位钳制在某个数值上。在电子线路中，钳位电路得到了广泛的应用。例如，在彩色电视机的图像信号直流恢复电路和消色电路中均有应用。1.5特殊二极管及其应用特殊二极管及其应用 二极管及由其组合构成的器件种类很多，用途广泛，除前面讨论的普通二极管外，常用的特殊二极管还有很多，如稳压二极管、变容二极管、发光二极管、LED七段数码显示器、光电二极管和激光二极管等，现简单介绍如下。1.5.1稳压二极管稳压二极管 1、稳压二极管及其稳压作用 稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，它的器件图片、电
28、路符号和伏安特性曲线如图1.5.1所示。用作稳压器件时，稳压二极管工作于反向击穿区域。在反向击穿区域，当反向电压增大到某一数值后，尽管反向电流急剧增大，但是稳压管两端的电压降几乎维持不变，或者说变 化很小。利用稳压二极管的这种特性，可在电路中产生稳定的电压。稳压管工作在反向击穿状态，只要流过它的电流不超过规定的数值，就能保证稳压管不致因为过热而烧坏。所以在稳压电路中，稳压管必须要串接一个适当的限流电阻。2、稳压管的主要参数 （1）稳定电压VZ：指在规定电流IZ下呈现的反向击穿电压。（2）工作电流IZ：稳压管正常工作时的参考电流值。（3）动态电阻rZ：指稳压管工作在稳压状态时，稳压管两端的电压变
29、化量与相应的电流变化量之比，即 rZ越小，反向击穿特性曲线越陡峭，稳压性能越好。rZ的数值通常在几几十之间。（4）最大工作电流IZM和最大耗散功率PZM：最大工作电流IZM指稳压管允许通过的最大反向击穿电流。最大耗散功率PZM等于最大工作电流IZM和与它对应的稳定电压VZ的乘积，即PZMIZMVZ。ZZZIVr 常用的稳压二极管有2CW、2DW和1N等几个系列，表1.5.1列出了几种典型稳压管的主要参数。2DW系列稳压管内部装有二个温度系数相反并反接的二极管，有三个引脚，具有温度补偿作用。（5）稳定电压的温度系数CTV：CTV表示温度每变化1，稳压值的相对变化量，即：一般稳定电压VZ小于4V的
30、稳压管具有负温度系数（温度升高，VZ下降）；稳定电压VZ大于7V的稳压管具有正温度系数（温度升高，VZ上升）；稳定电压VZ为6V左右的稳压管的温度系数最小。【案例分析案例分析1.5.1】稳压管稳压电路如图1.5.2所示，电路设计合理，其中R为限流、调节电阻。RL为负载电阻。试定性地说明输入电压VI变化时，输出电压VO能基本保持稳定的工作原理。分析、求解：分析、求解：如图1.5.2所示，当VI增大时，VO将增加，稳压管DZ两端的反向电压增加，流过稳压管的电流IZ将大大地增加，限流、调节电阻R上的压降IRR也将大大地增加，从而导致VI的增量（或者说VO的增量）绝大部分降落在限流、调节电阻R上，由于
31、VOVIIRR，从而使输出电压VO基本维持稳定。其稳压过程可描述如下：当VI减小时，其稳压过程与上述过程相仿，只不过各参量的变化方向相反而已。稳压管VZ的微小变化能引起IZ的较大变化是实现上述稳压电路稳压的关键。由于该电路负载与稳压管并联，稳压的性能指标，很大程度上取决于稳压管的参数，故称此稳压电路为并联参数稳压电路，其详细分析计算见第9章。1.5.2变容二极管变容二极管 变容二极管是利用PN结反偏时，结电容大小随外加电压的变化而变化的特性制成的半导体器件。变容二极管工作在反偏状态，在电路中可当作可变电容器使用。变容二极管的电路符号如图1.5.3（a）所示，压控特性曲线如图1.5.3（b）所示
32、。变容二极管的电容量一般较小，一般在5300pF之间。变容二极管是应用十分广泛的一种半导体器件。例如，谐振回路的电调谐；压控振荡器；频率调制等。图1.5.3（c）所示是变容二极管在电视机电子调谐器（俗称高频头）中的基本应用电路。其中，C是耦合电容，030V的调谐电压经R加到变容二极管D的两端，使变容二极管的电容量Cj随之发生变化，从而改变LC回路的谐振频率，以达到电动调台的目的。1.5.3发光二极管（发光二极管（LED）发光二极管（LED）是一种将电能转换成光能的特殊二极管。当发光二极管正偏导通，有正向导通电流流过时，二极管发光。发光二极管的伏安特性曲线与普通二极管类似，但正向导通压降VF较大
33、，一般为13V。发光二极管的发光强度在规定的范围内与流过它的正向工作电流IF成正比。发光二极管的反向击穿电压VBR较低，一般为7V左右，工程上为安全起见常取为5V。发光二极管（LED）的外形如图1.5.4（a）所示，电路符号如图1.5.4（b）所示。【案例分析案例分析1.5.2】LED的驱动电路如图1.5.4（c）所示，试分析电阻R的作用和取值依据。分析、求解：分析、求解：如图1.5.4（c）所示，由于LED的正向压降较低，允许的工作电流较小，故其驱动电路中必须串接限流电阻R。由器件手册查得所用LED的参考参数VF和IF，则 1.5.4LED七段数码显示器七段数码显示器 为了能直观地显示十进制
34、数字字符，把发光二极管（LED）制成条段状，按一定的方式连接，组成字符8，就构成了LED七段数码显示器（简称数码管）。使用时，按需要，让某些字符段的LED点亮发光，即可组成09十个字符。在BS系列某一些数码管中还在右下角处增设了一个小数点（DP），形成了所谓八段数码管。为了增加使用的灵活性，同一规格的数码管都有共阴极和共阳极两种类型可供选用，把所有LED的阴极作在一起的，属于共阴极类型；把所有LED的阳极作在一起的，属于共阳极类型。BS系列数码外形图片和等效电路如图1.5.5所示。其中ag代表7个字符段的驱动端，DP（h）代表小数点的驱动端，COM代表公共阴极或公共阳极的连接端。共阴极数码管使
35、用时，COM端接低电平，驱动端接高电平；共阳极数码管使用时，COM端接高电平，驱动端接低电平。LED数码显示器工作电压低（1.53V），体积小，可靠性高，寿命长，响应速度快（1100ns），亮度高，颜色丰富（有红、黄、绿等色），应用十分广泛。它的缺点是工作电流较大，每一段LED的工作电流在10mA左右。由于每一段字符实际上就是一个发光二极管，如前所述，使用时，每一段字符都要串接一个限流电阻。1.5.5激光二极管激光二极管 激光二极管实质是一种发光二极管。当激光二极管正偏导通时，可以从光谐振腔中发射出相位、频率、方向等完全相同的激光。激光二极管的电路符号和发光二极管的电路符号相同。1.5.6光电
36、二极管光电二极管 光电二极管又称为光敏二极管，是一种将光信号转换成电信号的特殊二极管。其外形图片、内部结构和电路符号如图1.5.6所示。光电二极管的等效电路和伏安特性曲线如图1.5.7所示。光电二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。光电二极管工作在反偏状态，无光照时，反向电流很小（称为暗电流，一般小于0.1A），反向电阻高达几十M；有光照时，反向电流明显增大（与光照度成正比，称为光电流），特性曲线下移，反向电阻下降至几k几十k。光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。若制成大面积的光电二极管，则能将光能直接转换成电能，可当作一种能源器件，即光电池。如果将发光二极管和光
37、电二极管结合起来，可以制成光电耦合器，如图1.5.8所示。输 入回路中，发光二极管将输入的电信号转换成光信号；输出回路中，光电二极管将接收到的光信号复原为电信号，通过光电耦合，从而实现了输入回路和输出回路的电气隔离，以避免电噪声信号的干扰。本章小结本章小结 1、半导体中参与导电的有两种载流子：电子和空穴。载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。掺入不同的杂质可分别制成P型和N型半导体，以改善本征半导体的导电性。2、PN结中的P型半导体与N型半导体的交界处有一个空间电荷区（或耗尽层）。当PN结外加正向偏置电压（P接正，N接负）时，耗尽层变窄，有电流流过（正偏导通）；当PN结外加反向偏置电压（P
38、接负，N接正）时，耗尽层变宽，没有电流流过或电流极小（反偏截止），这就是半导体二极管的单向导电性。3、二极管是非线性器件，所以常用伏安特性曲线表示它的性能。为分析计算电路的方便，工程上常将二极管的非线性伏安特性曲线进行分段线性化处理，从而得到几种简化电路的模型，如理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型。实际实用中，应根据工作条件、精度要求选择适当的电路模型。4、工程上常取普通小功率硅二极管的正向导通压降为0.7V，锗二极管的正向导通压降为0.2V。硅管的反向电流比锗管小的多，小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率锗管在A数量级。5、温度对二极管的特性影响较大，温度每升高10，反向电流约增大一倍；温度每升高1，正向导通压降约减小2.5mV。6、稳压二极管工作在反向击穿状态，变容二极管、光电二极管工作在反偏状态，发光二极管工作在正向导通状态。7、二极管的参数是合理选择和正确使用的依据。使用时，相关参数不能超过它的极限参数。
