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电压电流电场电子设计基础(四):二极管

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  二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode),另外,还有早期的真空电子二极管;它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子,这种电子器件按照外加电压的方向,具备单向电流的转导性。一般来讲,晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层,构成自建电场。当外加电压等于零时,由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态,这也是常态下的二极管特性。

常见二极管

常见二极管图示

  一、概述

  二极管的符号为二极管符号

  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,并且有个螺母以便固定在散热器上。

  1 二极管的工作原理

  二极管实物

  二极管实物

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。p-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。

  2 半导体分立元器件命名方法

  二极管命名规则

  利用二极管单向导电的特性,常用二极管作整流器,把交流电变为直流电,即只让交流电的正半周(或负半周)通过,再用电容器滤波形成平滑的直流。事实上好多电器的电源部分都是这样的。二极管也用来做检波器,把高频信号中的有用信号“检出来”,老式收音机中会有一个“检波二极管”,一般用2AP9型锗管。

  二、二极管的特性

  1 正向性

  外加正向电压时,在正向特性的起始部分,正向电压很小,不足以克服PN结内电场得阻挡作用,正向电流几乎为零,这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后,PN结内电场被克服,二极管导通,电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内,导通时二极管的端电压几乎维持不变,这个电压称为二极管的正向电压。

  2 二极管的反向特性

  外加反向电压不超过一定范围时,通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流,由于反向电流很小,二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流,二极管的反向饱和电流受温度影响很大。

  3 击穿

  外加反向电压超过某一数值时,反向电流会突然增大,这种形象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热,则单向导电性不一定会被永久破坏,在撤除外加电压后,其性能仍可恢复,否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。

  二极管是一种具有单向导电的二端器件,有电子二极管和晶体二极管之分,电子二极管现已很少见到,比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性,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。

  二极管的管压降:硅二极管(不发光类型)正向管压降0.7V,锗管正向管压降为0.3V,发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。

  主要有三种颜色,具体压降参考值如下:红色发光二极管的压降为2.0--2.2V,黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V,绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V,正常发光时的额定电流约为20mA。

  二极管的电压与电流不是线性关系,所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。

  4 二极管的反向击穿

  齐纳击穿  反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下,因势垒区宽度很小,反向电压较大时,破坏了势垒区内共价键结构,使价电子脱离共价键束缚,产生电子-空穴对,致使电流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿。如果掺杂浓度较低,势垒区宽度较宽,不容易产生齐纳击穿。

  雪崩击穿  另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时,外加电场使电子漂移速度加快,从而与共价键中的价电子相碰撞,把价电子撞出共价键,产生新的电子-空穴对。新产生的电子-空穴被电场加速后又撞出其它价电子,载流子雪崩式地增加,致使电流急剧增加,这种击穿称为雪崩击穿。无论哪种击穿,若对其电流不加限制,都可能造成PN结永久性损坏。

  3 二极管电路及其分析方法

  理想二极管的V–I特性如图a,虚线为实际二极管的V–I特性。图b为其代表符号。理想二极管在正向偏置时,其管压降为0V,反向偏置时,它的电阻为无穷大,电流为零。

  二极管V-I特性

  

  恒压型V-I特性如图所示。当二极管导通后,其管压降认为恒定不随电流而变(硅管典型值为0.7V)。此模型提供了合理的近似,因此应用较广。使用时只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。

  3.1 二极管折线模型

  对恒压降模型作一定的修正,认为二极管的管压降是随着通过二极管电流的增加而增加的即得二极管折线模型。在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。电池的电压为二极管的门坎电压Vth(约为0.5V)。当二极管的导通电流为1mA时,管压降为0.7V时

  

  二极管折线模型如下图所示。

  

  3.2 小信号模型

  二极管小信号模型如上图所示。如二极管在静态工作点Q(vD=VD,iD=ID)附近工作,则可把V-I特性看成为一条直线,其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。

  rd=dvD/diD

  rd的数值还可从二极管的V-I特性表达式导出。

  (1)

  取iD对vD的微分,可得微变电导

  

  由此可得

  (当T=300K时)

  例如,当Q点上的ID=2mA时,rd=26mV/2mV=13W。

  值得注意的是,式(1)是二极管正向V-I特性一个很好的模型,称之为指数模型。利用它并根据数学迭代原理,可以较准确地分析二极管电路。如借助PSPICE程序,指数模型更便于使用。

  4 特殊二极管

  

稳压管的杂质浓度较大,空间电荷区很窄,容易形成强电场。产生反向击穿时反向电流急增,如图b的特性所示。稳压管的稳压作用在于,电流增量很大,只引起很小的电压变化。

  在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R,使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的范围。

  齐纳二极管又称稳压管,是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管,其代表符号如图a所示。前已提及,这种管子的杂质浓度比较大,空间电荷区内的电荷密度也大,因而该区域很窄,容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时,反向电流急增,产生反向击穿,如图b的特性所示。图中的VZ表示反向击穿电压,即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用在于,电流增量DIZ很大,只引起很小的电压变化DVZ。曲线愈陡,动态电阻rz=DVZ/DIZ愈小,稳压管的稳压性能愈好。一般地说,VZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小,低于这个电压的,rZ随齐纳电压的下降迅速增加,因而低压稳压管的稳压性能较差。稳压管的稳定电压VZ,低的为3V,高的可达300V,它的正向压降约为0.6V。

  在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R,使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的范围。稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流,以保证管子不会因过热而烧坏。

  4.1 并联式稳压电路

  稳压电路如图所示。该电路能够稳定输出电压,当V1或RL变化时,电路能自动地调整IZ的大小,以改变R上的压降IRR,达到使输出电压V0(VZ)基本恒定的目的。例如,当VI恒定而RL减小时,将产生如下的自动调整过程:

  RL¯®IO­®IR­®VO¯®IZ¯®IR¯

  VO­

  VO能基本维持恒定。

  稳压管在直流稳压电源中获得广泛的应用。稳压电路如图所示。图中DZ为稳压管,R为限流电阻的作用是使电路有一个合适的工作状态。因负载RL与稳压管两端并接,故称为并联式稳压电路。

  该电路之所以能够稳定输出电压,在于当稳定电流IZ有较大幅度的变化DIZ时,而稳定电压的变化DVZ却很小。这样,当V1或RL变化时,电路能自动地调整IZ的大小,以改变R上的压降IRR,达到维持输出电压V0(VZ)基本恒定的目的。例如,当VI恒定而RL减小时,将产生如下的自动调整过程:

  RL¯®IO­®IR­®VO¯®IZ¯®IR¯

  VO­

  可见VO能基本维持恒定。同理,亦可分析当RL增大时,亦可得出Vo基本维持恒定的结论。

  

  二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外,还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小,这种效应显著的二极管称为变容二极管。

  图a为变容二极管的代表符号,图b是变容二极管的特性曲线。不同型号的管子,其电容最大值可能是5~300pF。最大电容与最小电容之比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多。


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