二極管的電容效應(yīng)和等效電路與開關(guān)特性

一、二極管的電容效應(yīng)

二極管具有電容效應(yīng)。它的電容包括勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。

1.勢壘電容CB(Cr)

前面已經(jīng)講過，PN結(jié)內(nèi)缺少導(dǎo)電的載流子，其電導(dǎo)率很低，相當(dāng)于介質(zhì);而PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)、N區(qū)的電導(dǎo)率高，相當(dāng)于金屬導(dǎo)體。從這一結(jié)構(gòu)來看，PN結(jié)等效于一個電容器。

事實上，當(dāng)PN結(jié)兩端加正向電壓時，PN結(jié)變窄，結(jié)中空間電荷量減少，相當(dāng)于電容"放電"，當(dāng)PN結(jié)兩端加反向電壓時，PN結(jié)變寬，結(jié)中空間電荷量增多，相當(dāng)于電容"充電"。這種現(xiàn)象可以用一個電容來模擬，稱為勢壘電容。勢壘電容與普通電容不同之處，在于它的電容量并非常數(shù)，而是與外加電壓有關(guān)。當(dāng)外加反向電壓增大時，勢壘電容減小;反向電壓減小時，勢壘電容增大。目前廣泛應(yīng)用的變?nèi)荻O管，就是利用PN結(jié)電容隨外加電壓變化的特性制成的。

2.擴(kuò)散電容CD

PN結(jié)正向偏置時，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)形成一定的非平衡載流子的濃度分布，即靠近PN結(jié)一側(cè)濃度高，遠(yuǎn)離PN結(jié)的一側(cè)濃度低。顯然，在P區(qū)積累了電子，即存貯了一定數(shù)量的負(fù)電荷;同樣，在N區(qū)也積累了空穴，即存貯了一定數(shù)即正電荷。當(dāng)正向電壓加大時，擴(kuò)散增強，這時由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)將增多，致使在兩個區(qū)域內(nèi)形成了電荷堆積，相當(dāng)于電容器的充電。相反，當(dāng)正向電壓減小時，擴(kuò)散減弱，即由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)減少，造成兩個區(qū)域內(nèi)電荷的減少，、這相當(dāng)于電容器放電。因此，可以用一個電容來模擬，稱為擴(kuò)散電容。

總之，二極管呈現(xiàn)出兩種電容，它的總電容Cj相當(dāng)于兩者的并聯(lián)，即Cj=CB + CD。二極管正向偏置時，擴(kuò)散電容遠(yuǎn)大于勢壘電容 Cj≈CD ;而反向偏置時，擴(kuò)散電容可以忽略，勢壘電容起主要作用，Cj≈CB 。

二、二極管的等效電路

二極管是一個非線性器件，對于非線性電路的分析與計算是比較復(fù)雜的。為了使電路的分析簡化，可以用線性元件組成的電路來模擬二極管。使線性電路的電壓、電路關(guān)系和二極管外特性近似一致，那么這個線性電路就稱為二極管的等效電路。顯然等效電路是在一定條件下的近似。

二極管應(yīng)用于直流電路時，常用一個理想二極管模型來等效，可把它看成一個理想開關(guān)。正偏時，相當(dāng)于"開關(guān)"閉合(ON)，電阻為零，壓降為零;反偏時，相當(dāng)于"開關(guān)"斷開(OFF)，電阻為無限大，電流為零。由于理想二極管模型突出表現(xiàn)了二極管最基本的特性--單向?qū)щ娦?，所以廣泛應(yīng)用于直流電路及開關(guān)電路中。

在直流電路中如果考慮到二極管的電阻和門限電壓的影響。實際二極管可用圖Z0112所示的電路來等效。

在二極管兩端加直流偏置電壓和工作在交流小信號的條件下，可以用簡化的電路來等效。圖中rs為二極管P區(qū)和N區(qū)的體電阻。

三、二極管的開關(guān)特性

二極管正偏時導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)的接通;反偏時截止相當(dāng)于開關(guān)的斷開，表明二極管具有開關(guān)特性。不過一個理想的開關(guān)，在接通時開關(guān)本身電阻為零，壓降為零，而斷開時電阻為無窮大，電流為零，而且要求在高速開關(guān)時仍具有以上特性，不需要開關(guān)時間。但實際二極管作為開關(guān)運用，并不是太理想的。因為二極管正向?qū)〞r，其正向電阻和正向降壓均不為零;反向戳止時，其反向電阻也不是無窮大，反向電流也不為零。并且二極管開、關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要一定時間.這就限制了它的開關(guān)速度。因此作開關(guān)時，應(yīng)選用正向電阻RF小、反向電阻RR大、開關(guān)時間小的開關(guān)二極管。