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深入解剖半导体二极管及其应用

admin4周前 (05-18)电子信息2

 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。

 4.1 PN结和半导体二极管

 4.1.1 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。

 在一块半导体基片上通过适当的半导体工艺技术可以形成P型半导体和N型半导体的交接面,称为PN结。 PN结具有单向导电性:当PN结加正向电压时,P端电位高于N端,PN结变窄,由多子形成的电流可以由P区向N区流通,见图4-1 (a),而当PN结加反向电压时,N端电位高于P端,PN结变宽,由少子形成的电流极小,视为截止(不导通),见图4-1 (b)。

 

 

 4.1.2 半导体二极管

 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。

 图4-2是常用二极管的符号、结构及外形的示意图。二极管的符号如图4-2(a)所示。箭头表示正向电流的方向。一般在二极管的管壳表面标有这个符号或色点、色圈来表示二极管的极性,左边实心箭头的符号是工程上常用的符号,右边的符号为新规定的符号。从工艺结构来看,点接触型二极管(一般为锗管)如图4-2(b)其特点是结面积小,因此结电容小,允许通过的电流也小,适用高频电路的检波或小电流的整流,也可用作数字电路里的开关元件;面接触型二极管(一般为硅管)如图4-2(c)其特点是结面积大,结电容大,允许通过的电流较大,适用于低频整流;硅平面型二极管如图4-2(d),结面积大的可用于大功率整流,结面积小的,适用于脉冲数字电路作开关管。

 4.1.3 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

 4.1.4 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IDM

 IDM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VRM

 VRM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IRM

 IRM是指二极管加反向电压VRM时的反向电流值,IRM越小二极管的单向导电性愈好。IRM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。

 

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