电子设计基础关键元器件篇(二)二极管bxzt.docx
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1、电子设计计基础关关键元器器件篇(二):二极管管二极管又又称晶体体二极管管,简称称二极管管(diiodee),另另外,还还有早期期的真空空电子二二极管;它是一一种具有有单向传传导电流流的电子子器件。在在半导体体二极管管内部有有一个PPN结两两个引线线端子,这这种电子子器件按按照外加加电压的的方向,具具备单向向电流的的转导性性。一般般来讲,晶晶体二极极管是一一个由pp型半导导体和nn型半导导体烧结结形成的的p-nn结界面面。在其其界面的的两侧形形成空间间电荷层层,构成成自建电电场。当当外加电电压等于于零时,由由于p-n 结结两边载载流子的的浓度差差引起扩扩散电流流和由自自建电场场引起的的漂移电电流
2、相等等而处于于电平衡衡状态,这这也是常常态下的的二极管管特性。常见见二极管管图示一、概概述二极极管的符符号为。半导导体是一一种具有有特殊性性质的物物质,它它不像导导体一样样能够完完全导电电,又不不像绝缘缘体那样样不能导导电,它它介于两两者之间间,所以以称为半半导体。半半导体最最重要的的两种元元素是硅硅(读“ggu”)和和锗(读读“zhh”)。我我们常听听说的美美国硅谷谷,就是是因为那那里有好好多家半半导体厂厂商。二极极管应该该算是半半导体器器件家族族中的元元老了。很很久以前前,人们们热衷于于装配一一种矿石石收音机机来收听听无线电电广播,这这种矿石石后来就就被做成成了晶体体二极管管。二极极管最明
3、明显的性性质就是是它的单单向导电电特性,就就是说电电流只能能从一边边过去,却却不能从从另一边边过来(从从正极流流向负极极)。我我们用万万用表来来对常见见的1NN40001型硅硅整流二二极管进进行测量量,红表表笔接二二极管的的负极,黑黑表笔接接二极管管的正极极时,表表针会动动,说明明它能够够导电;然后将将黑表笔笔接二极极管负极极,红表表笔接二二极管正正极,这这时万用用表的表表针根本本不动或或者只偏偏转一点点点,说说明导电电不良(万万用表里里面,黑黑表笔接接的是内内部电池池的正极极)。常见见的几种种二极管管中有玻玻璃封装装的、塑塑料封装装的和金金属封装装的等几几种。像像它的名名字,二二极管有有两个
4、电电极,并并且分为为正负极极,一般般把极性性标示在在二极管管的外壳壳上。大大多数用用一个不不同颜色色的环来来表示负负极,有有的直接接标上“”号。大大功率二二极管多多采用金金属封装装,并且且有个螺螺母以便便固定在在散热器器上。1 二极管管的工作作原理二极极管实物物晶体体二极管管为一个个由p型型半导体体和n型型半导体体形成的的p-nn结,在在其界面面处两侧侧形成空空间电荷荷层,并并建有自自建电场场。当不不存在外外加电压压时,由由于p-n 结结两边载载流子浓浓度差引引起的扩扩散电流流和自建建电场引引起的漂漂移电流流相等而而处于电电平衡状状态。当当外界有有正向电电压偏置置时,外外界电场场和自建建电场的
5、的互相抑抑消作用用使载流流子的扩扩散电流流增加引引起了正正向电流流。当外外界有反反向电压压偏置时时,外界界电场和和自建电电场进一一步加强强,形成成在一定定反向电电压范围围内与反反向偏置置电压值值无关的的反向饱饱和电流流I0。当当外加的的反向电电压高到到一定程程度时,pp-n结结空间电电荷层中中的电场场强度达达到临界界值产生生载流子子的倍增增过程,产产生大量量电子空空穴对,产产生了数数值很大大的反向向击穿电电流,称称为二极极管的击击穿现象象。p-n结的的反向击击穿有齐齐纳击穿穿和雪崩崩击穿之之分。2 半导体体分立元元器件命命名方法法利用用二极管管单向导导电的特特性,常常用二极极管作整整流器,把把
6、交流电电变为直直流电,即即只让交交流电的的正半周周(或负负半周)通通过,再再用电容容器滤波波形成平平滑的直直流。事事实上好好多电器器的电源源部分都都是这样样的。二二极管也也用来做做检波器器,把高高频信号号中的有有用信号号“检出出来”,老老式收音音机中会会有一个个“检波波二极管管”,一一般用22AP99型锗管管。二、二二极管的的特性1 正向性性外加加正向电电压时,在在正向特特性的起起始部分分,正向向电压很很小,不不足以克克服PNN结内电电场得阻阻挡作用用,正向向电流几几乎为零零,这一一段称为为死区。这这个不能能使二极极管导通通的正向向电压称称为死区区电压。当当正向电电压大于于死区电电压以后后,P
7、NN结内电电场被克克服,二二极管导导通,电电流随电电压增大大而迅速速上升。在在正常使使用的电电流范围围内,导导通时二二极管的的端电压压几乎维维持不变变,这个个电压称称为二极极管的正正向电压压。2 二极管管的反向向特性外加加反向电电压不超超过一定定范围时时,通过过二极管管的电流流是少数数载流子子漂移运运动所形形成反向向电流,由由于反向向电流很很小,二二极管处处于截止止状态。这这个反向向电流又又称为反反向饱和和电流或或漏电流流,二极极管的反反向饱和和电流受受温度影影响很大大。3 击穿外加加反向电电压超过过某一数数值时,反反向电流流会突然然增大,这这种形象象称为电电击穿。引引起电击击穿的临临界电压压
8、称为二二极管反反向击穿穿电压。电电击穿时时二极管管失去单单向导电电性。如如果二极极管没有有因电击击穿而引引起过热热,则单单向导电电性不一一定会被被永久破破坏,在在撤除外外加电压压后,其其性能仍仍可恢复复,否则则二极管管就损坏坏了。因因而使用用时应避避免二极极管外加加的反向向电压过过高。二极极管是一一种具有有单向导导电的二二端器件件,有电电子二极极管和晶晶体二极极管之分分,电子子二极管管现已很很少见到到,比较较常见和和常用的的多是晶晶体二极极管。二二极管的的单向导导电特性性,几乎乎在所有有的电子子电路中中,都要要用到半半导体二二极管,它它在许多多的电路路中起着着重要的的作用,它它是诞生生最早的的
9、半导体体器件之之一,其其应用也也非常广广泛。二极极管的管管压降:硅二极极管(不不发光类类型)正正向管压压降0.7V,锗锗管正向向管压降降为0.3V,发发光二极极管正向向管压降降为随不不同发光光颜色而而不同。主要要有三种种颜色,具具体压降降参考值值如下:红色发发光二极极管的压压降为22.0-2.2V,黄黄色发光光二极管管的压降降为1.822.0VV,绿色色发光二二极管的的压降为为3.003.2V,正正常发光光时的额额定电流流约为220mAA。二极极管的电电压与电电流不是是线性关关系,所所以在将将不同的的二极管管并联的的时候要要接相适适应的电电阻。4 二极管管的反向向击穿齐纳纳击穿反向向击穿按按机
10、理分分为齐纳纳击穿和和雪崩击击穿两种种情况。在在高掺杂杂浓度的的情况下下,因势势垒区宽宽度很小小,反向向电压较较大时,破破坏了势势垒区内内共价键键结构,使使价电子子脱离共共价键束束缚,产产生电子子-空穴穴对,致致使电流流急剧增增大,这这种击穿穿称为齐齐纳击穿穿。如果果掺杂浓浓度较低低,势垒垒区宽度度较宽,不不容易产产生齐纳纳击穿。雪崩崩击穿另一一种击穿穿为雪崩崩击穿。当当反向电电压增加加到较大大数值时时,外加加电场使使电子漂漂移速度度加快,从从而与共共价键中中的价电电子相碰碰撞,把把价电子子撞出共共价键,产产生新的的电子-空穴对对。新产产生的电电子-空空穴被电电场加速速后又撞撞出其它它价电子子
11、,载流流子雪崩崩式地增增加,致致使电流流急剧增增加,这这种击穿穿称为雪雪崩击穿穿。无论论哪种击击穿,若若对其电电流不加加限制,都都可能造造成PNN结永久久性损坏坏。3 二极管管电路及及其分析析方法理想想二极管管的VI特性性如图aa,虚线线为实际际二极管管的VI特性性。图bb为其代代表符号号。理想想二极管管在正向向偏置时时,其管管压降为为0V,反反向偏置置时,它它的电阻阻为无穷穷大,电电流为零零。恒压压型V-I特性性如图所所示。当当二极管管导通后后,其管管压降认认为恒定定不随电电流而变变(硅管管典型值值为0.7V)。此此模型提提供了合合理的近近似,因因此应用用较广。使使用时只只有当二二极管的的电
12、流iiD近似似等于或或大于11mA时时才是正正确的。3.1 二二极管折折线模型型对恒恒压降模模型作一一定的修修正,认认为二极极管的管管压降是是随着通通过二极极管电流流的增加加而增加加的即得得二极管管折线模模型。在在模型中中用一个个电池和和一个电电阻rDD来作进进一步的的近似。电电池的电电压为二二极管的的门坎电电压Vtth(约约为0.5V)。当当二极管管的导通通电流为为1mAA时,管管压降为为0.77V时二极极管折线线模型如如下图所所示。3.2 小小信号模模型二极极管小信信号模型型如上图图所示。如如二极管管在静态态工作点点Q(vvD=VVD,iiD=IID)附附近工作作,则可可把V-I特性性看成
13、为为一条直直线,其其斜率的的倒数就就是所要要求的小小信号模模型的微微变电阻阻rd。rdd=dvvD/ddiDrdd的数值值还可从从二极管管的V-I特性性表达式式导出。(1)取iiD对vvD的微微分,可可得微变变电导由此此可得(当T=3000K时)例如如,当QQ点上的的ID=2mAA时,rrd=226mVV/2mmV=113W。值得得注意的的是,式式(1)是是二极管管正向VV-I特特性一个个很好的的模型,称称之为指指数模型型。利用用它并根根据数学学迭代原原理,可可以较准准确地分分析二极极管电路路。如借借助PSSPICCE程序序,指数数模型更更便于使使用。4 特殊二二极管稳压压管的杂杂质浓度度较大
14、,空空间电荷荷区很窄窄,容易易形成强强电场。产产生反向向击穿时时反向电电流急增增,如图图b的特特性所示示。稳压压管的稳稳压作用用在于,电电流增量量很大,只只引起很很小的电电压变化化。在稳稳压管稳稳压电路路中一般般都加限限流电阻阻R,使使稳压管管电流工工作在IIZmaax和IIZmiix的范范围。齐纳纳二极管管又称稳稳压管,是是一种用用特殊工工艺制造造的面结结型硅半半导体二二极管,其其代表符符号如图图a所示示。前已已提及,这这种管子子的杂质质浓度比比较大,空空间电荷荷区内的的电荷密密度也大大,因而而该区域域很窄,容容易形成成强电场场。当反反向电压压加到某某一定值值时,反反向电流流急增,产产生反向
15、向击穿,如如图b的的特性所所示。图图中的VVZ表示示反向击击穿电压压,即稳稳压管的的稳定电电压。稳稳压管的的稳压作作用在于于,电流流增量DDIZ很很大,只只引起很很小的电电压变化化DVZZ。曲线线愈陡,动动态电阻阻rz=DVZZ/DIIZ愈小小,稳压压管的稳稳压性能能愈好。一一般地说说,VZZ为8VV左右的的稳压管管的动态态电阻较较小,低低于这个个电压的的,rZZ随齐纳纳电压的的下降迅迅速增加加,因而而低压稳稳压管的的稳压性性能较差差。稳压压管的稳稳定电压压VZ,低低的为33V,高高的可达达3000V,它它的正向向压降约约为0.6V。在稳稳压管稳稳压电路路中一般般都加限限流电阻阻R,使使稳压管
16、管电流工工作在IIZmaax和IIZmiix的范范围。稳稳压管在在应用中中要采取取适当的的措施限限制通过过管子的的电流,以以保证管管子不会会因过热热而烧坏坏。4.1 并并联式稳稳压电路路稳压压电路如如图所示示。该电电路能够够稳定输输出电压压,当VV1或RRL变化化时,电电路能自自动地调调整IZZ的大小小,以改改变R上上的压降降IRRR,达到到使输出出电压VV0(VVZ)基基本恒定定的目的的。例如如,当VVI恒定定而RLL减小时时,将产产生如下下的自动动调整过过程:RLLIIOIRRVOOIIZIRVOOVOO能基本本维持恒恒定。稳压压管在直直流稳压压电源中中获得广广泛的应应用。稳稳压电路路如图
17、所所示。图图中DZZ为稳压压管,RR为限流流电阻的的作用是是使电路路有一个个合适的的工作状状态。因因负载RRL与稳稳压管两两端并接接,故称称为并联联式稳压压电路。该电电路之所所以能够够稳定输输出电压压,在于于当稳定定电流IIZ有较较大幅度度的变化化DIZZ时,而而稳定电电压的变变化DVVZ却很很小。这这样,当当V1或或RL变变化时,电电路能自自动地调调整IZZ的大小小,以改改变R上上的压降降IRRR,达到到维持输输出电压压V0(VVZ)基基本恒定定的目的的。例如如,当VVI恒定定而RLL减小时时,将产产生如下下的自动动调整过过程:RLLIIOIRRVOOIIZIRVOO可见见VO能能基本维维持
18、恒定定。同理理,亦可可分析当当RL增增大时,亦亦可得出出Vo基基本维持持恒定的的结论。二极极管结电电容的大大小除了了与本身身结构和和工艺有有关外,还还与外加加电压有有关。结结电容随随反向电电压的增增加而减减小,这这种效应应显著的的二极管管称为变变容二极极管。图aa为变容容二极管管的代表表符号,图图b是变变容二极极管的特特性曲线线。不同同型号的的管子,其其电容最最大值可可能是553000pFF。最大大电容与与最小电电容之比比约为55:1。变变容二极极管在高高频技术术中应用用较多。三、二二极管的的应用1、整整流二极极管利用二二极管单单向导电电性,可可以把方方向交替替变化的的交流电电变换成成单一方方
19、向的脉脉冲直流流电。2、开开关元件件二二极管在在正向电电压作用用下电阻阻很小,处处于导通通状态,相相当于一一只接通通的开关关;在反反向电压压作用下下,电阻阻很大,处处于截止止状态,如如同一只只断开的的开关。利利用二极极管的开开关特性性,可以以组成各各种逻辑辑电路。3、限限幅元件件二二极管正正向导通通后,它它的正向向压降基基本保持持不变(硅硅管为00.7VV,锗管管为0.3V)。利利用这一一特性,在在电路中中作为限限幅元件件,可以以把信号号幅度限限制在一一定范围围内。4、继继流二极极管在开关关电源的的电感中中和继电电器等感感性负载载中起继继流作用用。5、检检波二极极管在收音音机中起起检波作作用。
20、6、变变容二极极管使用于于电视机机的高频频头中。7、显显示元件件用用于VCCD、DDVD、计计算器等等显示器器上。8、稳稳压二极极管反向击击穿电压压恒定,且且击穿后后可恢复复,利用用这一特特性可以以实现稳稳压电路路。四、二二极管的的类型二极极管种类类有很多多,按照照所用的的半导体体材料,可可分为锗锗二极管管(Gee管)和和硅二极极管(SSi管)。根根据其不不同用途途,可分分为检波波二极管管、整流流二极管管、稳压压二极管管、开关关二极管管、隔离离二极管管、肖特特基二极极管、发发光二极极管、硅硅功率开开关二极极管、旋旋转二极极管等。按按照管芯芯结构,又又可分为为点接触触型二极极管、面面接触型型二极
21、管管及平面面型二极极管。点点接触型型二极管管是用一一根很细细的金属属丝压在在光洁的的半导体体晶片表表面,通通以脉冲冲电流,使使触丝一一端与晶晶片牢固固地烧结结在一起起,形成成一个“PPN结”。由由于是点点接触,只只允许通通过较小小的电流流(不超超过几十十毫安),适适用于高高频小电电流电路路,如收收音机的的检波等等。面接接触型二二极管的的“PNN结”面面积较大大,允许许通过较较大的电电流(几几安到几几十安),主主要用于于把交流流电变换换成直流流电的“整整流”电电路中。平平面型二二极管是是一种特特制的硅硅二极管管,它不不仅能通通过较大大的电流流,而且且性能稳稳定可靠靠,多用用于开关关、脉冲冲及高频
22、频电路中中。贴片片二极管管1 根据构构造分类类半导导体二极极管主要要是依靠靠PN结结而工作作的。与与PN结结不可分分割的点点接触型型和肖特特基型,也也被列入入一般的的二极管管的范围围内。包包括这两两种型号号在内,根根据PNN结构造造面的特特点,把把晶体二二极管分分类如下下:点接接触型二二极管点接接触型二二极管是是在锗或或硅材料料的单晶晶片上压压触一根根金属针针后,再再通过电电流法而而形成的的。因此此,其PPN结的的静电容容量小,适适用于高高频电路路。但是是,与面面结型相相比较,点点接触型型二极管管正向特特性和反反向特性性都差,因因此,不不能使用用于大电电流和整整流。因因为构造造简单,所所以价格
23、格便宜。对对于小信信号的检检波、整整流、调调制、混混频和限限幅等一一般用途途而言,它它是应用用范围较较广的类类型。键型型二极管管键型型二极管管是在锗锗或硅的的单晶片片上熔接接或银的的细丝而而形成的的。其特特性介于于点接触触型二极极管和合合金型二二极管之之间。与与点接触触型相比比较,虽虽然键型型二极管管的PNN结电容容量稍有有增加,但但正向特特性特别别优良。多多作开关关用,有有时也被被应用于于检波和和电源整整流(不不大于550mAA)。在在键型二二极管中中,熔接接金丝的的二极管管有时被被称金键键型,熔熔接银丝丝的二极极管有时时被称为为银键型型。合金金型二极极管在NN型锗或或硅的单单晶片上上,通过
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