二極管原理

時(shí)間：2012-11-06 17:25:00

關(guān)鍵字：二極管 MDASH 特性曲線溫度

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[導(dǎo)讀]二極管又稱晶體二極管,簡(jiǎn)稱二極管(diode)，另外，還有早期的真空電子二極管;它是一種具有單向傳導(dǎo)電流的電子器件。在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個(gè)PN結(jié)兩個(gè)引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉(zhuǎn)導(dǎo)性

二極管又稱晶體二極管,簡(jiǎn)稱二極管(diode)，另外，還有早期的真空電子二極管;它是一種具有單向傳導(dǎo)電流的電子器件。在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個(gè)PN結(jié)兩個(gè)引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉(zhuǎn)導(dǎo)性。一般來(lái)講，晶體二極管是一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體燒結(jié)形成的p-n結(jié)界面。在其界面的兩側(cè)形成空間電荷層，構(gòu)成自建電場(chǎng)。當(dāng)外加電壓等于零時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子的濃度差引起擴(kuò)散電流和由自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。

1.結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。

(1) 點(diǎn)接觸型二極管--PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。

(2) 面接觸型二極管--PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。

(3) 平面型二極管-往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。

2. 伏安特性及主要參數(shù)

(1)伏安特性曲線

P半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖4-10所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。

圖4-.10 二極管的伏安特性曲線

●　正向特性

當(dāng)U>0，即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當(dāng)0

當(dāng)U>Uth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。

硅二極管的死區(qū)電壓Uth=0.5 V左右，鍺二極管的死區(qū)電壓Uth=0.1 V左右。

● 反向特性

當(dāng)U<0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

當(dāng)UBR

(2)主要參數(shù)

① 最大整流電流ID:二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大正向平均電流。

② 反向工作峰值電壓URWN：保證二極管不被反向擊穿而規(guī)定的電壓。在實(shí)際工作時(shí)，定為反向擊穿電壓的一半。

③ 反向峰值電流IRM：是二極管加上反向工作峰值時(shí)的反向飽和電流。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí);鍺二極管在微安(mA)級(jí)。

4.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.11(a)、(b)、(c)所示。

(1) 點(diǎn)接觸型二極管&mdash;—PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。

(2) 面接觸型二極管——PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。

(3) 平面型二極管—往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。

圖01.11 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

4.3.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線

半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖01.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示

式中IS 為反向飽和電流，V 為二極管兩端的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫(相當(dāng)T=300 K)，則有VT=26 mV。

圖01.12 二極管的伏安特性曲線

(1) 正向特性

當(dāng)V>0，即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當(dāng)0

當(dāng)V>Vth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5 V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1 V左右。

(2) 反向特性

當(dāng)V<0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

當(dāng)VBR

當(dāng)V≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。

在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小;鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過(guò)渡比較圓滑，反向飽和電流較大。從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|VBR|≥7 V時(shí)，主要是雪崩擊穿;若VBR≤4 V則主要是齊納擊穿，當(dāng)在4 V～7 V之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數(shù)點(diǎn)。

1.3.3 半導(dǎo)體二極管的參數(shù)

半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個(gè)主要的參數(shù)介紹如下：

(1) 最大整流電流IF——二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大整流電流的平均值。

(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM——二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。

(3) 反向電流IR——在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí);鍺二極管在微安(uA)級(jí)。

(4) 正向壓降VF——在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8 V;鍺二極管約0.2～0.3 V。

(5)動(dòng)態(tài)電阻rd——反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然， rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd =△VF /△IF

1.3.4 半導(dǎo)體二極管的溫度特性

溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍;鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF(Vd)大約減小2 mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。這些可以從圖01.13所示二極管的伏安特性曲線上看出。

圖01.13 溫度對(duì)二極管伏安特性曲線的影響

4.3.5 半導(dǎo)體二極管的型號(hào)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：

4.3.6 穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號(hào)和典型應(yīng)用電路如圖01.14所示。

(a) 符號(hào) (b) 伏安特性 (c) 應(yīng)用電路

圖01.14 穩(wěn)壓二極管的伏安特性

從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。

(1) 穩(wěn)定電壓VZ ——在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。

(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過(guò)穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。 RZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

rz =△VZ /△IZ

(3)最大耗散功率 PZM ——穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)，PN結(jié)的功率損耗為 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以決定IZmax。