二极管及其应用

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

—202—二极管及其应用

电子电路区别于以前所学电路的主要特点是电路中引入各种电子器件。电子器件的类型很多,目前使用得最广泛的是半导体器件——二极管、稳压管、晶体管、绝缘栅场效应管等。由于本课程的任务不是研究这些器件内部的物理过程,而是讨论它们的应用,因此,在简单介绍这些器件的外部特性的基础上,讨论它们的应用电路。

一、PN结和半导体二极管

1.PN结的单向导电性

我们在物理课中已经知道,在纯净的四价半导体晶体材料(主要是硅和锗)中掺入微量三价(例如硼)或五价(例如磷)元素,半导体的导电能力就会大大增强。这是由于形成了有传导电流能力的载流子。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子,称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴,称为空穴半导体或P型半导体。在掺杂半导体中多数载流子(称多子)数目由掺杂浓度确定,而少数载流子(称少子)数目与温度有关,并且温度升高时,少数载流子数目会增加。

半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由P区引出的电极称为阳极,N区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性,二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。二极管的种类很多,按材料来分,最常用的有硅管和锗管两种;按结构来分,有点接触型,面接触型和硅平面型几种;按用途来分,有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种。

2. 二极管的伏安特性

二极管的电流与电压的关系曲线I = f(V),称为二极管的伏安特性。其伏安特性曲线

如图4-3所示。二极管的核心是一个PN结,具有单向导电性,其实际伏安特性与理论伏安

特性略有区别。由图4-3可见二极管的伏安特性曲线是非线性的,可分为三部分:正向特性、反向特性和反向击穿特性。

1.正向特性

当外加正向电压很低时,管子内多数载流子的扩散运动没形成,故正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值时,才有明显的正向电流,这

个电压值称为死区电压,通常硅管的死区电压约为0.5V,

锗管的死区电压约为0.2V,当正向电压大于死区电压后,

正向电流迅速增长,曲线接近上升直线,在伏安特性的

这一部分,当电流迅速增加时,二极管的正向压降变化

很小,硅管正向压降约为0.6~0.7V,锗管的正向压降约为0.2~0.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感,温度升高时,正向特性曲线向左移,如图4-3所示,这说明,对应同样大小的正向电流,正向压降随温升而减小。研究表明,温度每升高10C ,正向压降减小2mV。

2. 反向特性

二极管加上反向电压时,形成很小的反向电流,且在一定温度下它的数量基本维持不变,因此,当反向电压在一定范围内增大时,反向电流的大小基本恒定,而与反向电压大小无关,故称为反向饱和电流,一般小功率锗管的反向电流可达几十μA,而小功率硅管的反向电流要小得多,一般在0.1μA以下,当温度升高时,少数载流子数目增加,使反向电流增大,特性曲线下移,研究表明,温度每升高100C ,反向电流近似增大一倍。

3.反向击穿特性

当二极管的外加反向电压大于一定数值(反向击穿电压)时,反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。

3. 二极管的主要参数

二极管的特性除用伏安特性曲线表示外,参数同样能反映出二极管的电性能,器件的参数是正确选择和使用器件的依据。各种器件的参数由厂家产品手册给出,由于制造工艺方面的原因,既使同一型号的管子,参数也存在一定的分散性,因此手册常给出某个参数的范围,半导体二极管的主要参数有以下几个:

1.最大整流电流I DM

I DM指的是二极管长期工作时,允许通过的最大的正向平均电流。在使用时,若电流超

过这个数值,将使PN结过热而把管子烧坏。

2.反向工作峰值电压V RM

V RM是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。一般这个参数是二极管反向击穿电压的一半,若反向电压超过这个数值,管子将会有击穿的危险。

3.反向峰值电流I RM

I RM是指二极管加反向电压V RM时的反向电流值,I RM越小二极管的单向导电性愈好。I RM 受温度影响很大,使用时要加以注意。硅管的反向电流较小,一般在几微安以下,锗管的反向电流较大,为硅管的几十到几百倍。

4.最高工作频率ƒM

二极管在外加高频交流电压时,由于PN结的电容效应,单向导电作用退化。ƒM指的是二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。

二特殊二极管

除了上述普通二极管外,还有一些特殊二极管,如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等,分别介绍如下。

1. 稳压管

—204

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管,具有稳定电压的作用。图4-8(a )为稳压管在电路中的正确联接方法;图(b )和图(c )为稳压管的伏安特性及图形符号。稳压管与普通二极管的主要区别在于,稳压管是工作在PN 结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小,能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏。从稳压管的反向特性曲线可以看出,当反向电压较小时,反向电流几乎为零,当反向电压增高到击穿电压V z (也是稳压管的工作电压)时,反向电流I z (稳压管的工作电流)会急剧增加,稳压管反向击穿。在特性曲线ab 段,当I z 在较大范围内变化时,稳压管两端电压V z 基本不变,具有恒压特性,利用这一特性可以起到稳定电压的作用。

(a) (b) (C)

图4-8 稳压管电路、伏安特性及符号

稳压管与一般二极管不一样,它的反向击穿是可逆的,只要不超过稳压管的允许值,PN 结就不会过热损坏,当外加反向电压去除后,稳压管恢复原性能,所以稳压管具有良好的重复击穿特性。

稳压管的主要参数有:

1.稳定电压V Z 。稳定电压V Z 指稳压管正常工作时,管子两端的电压,由于制造工艺的原因,稳压值也有一定的分散性,如2CW14型稳压值为6.0~7.5V 。

2.动态电阻r z 。动态电阻是指稳压管在正常工作范围内,端电压的变化量与相应电流的变化量的比值。

z

z z I V r ∆∆= (4–1) 稳压管的反向特性愈陡,r Z 愈小,稳压性能就愈好。

3. 稳定电流I Z 。稳压管正常工作时的参考电流值,只有I ≥I Z ,才能保证稳压管有较好的稳压性能。

4.最大稳定电流I Zmax 。允许通过的最大反向电流,I > I Zmax 管子会因过热而损坏。

5. 最大允许功耗P ZM 。管子不致发生热击穿的最大功率损耗P ZM =V Z I Zmax

6.电压温度系数αV 。温度变化10C 时,稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电

压温度系数越小,温度稳定性越好,通常硅稳压管在V Z 低于4V 时具有负温度系数,高于6V 时具有正温度系数, V Z 在4~6V 之间,温度系数很小。

稳压管正常工作的条件有两条,一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。当稳压管正偏时,它相当于一个普通二极管。图4-8(a )为最常用的稳压电路,当V i 或R L 变化时,稳压管中的电流发生变化,但在一定范围内其端电压变

相关文档
最新文档