電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（四）：二極管

　　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。

　　常見(jiàn)二極管圖示

　　一、概述

　　二極管的符號(hào)為

　　半導(dǎo)體是一種具有特殊性質(zhì)的物質(zhì)，它不像導(dǎo)體一樣能夠完全導(dǎo)電，又不像絕緣體那樣不能導(dǎo)電，它介于兩者之間，所以稱(chēng)為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體最重要的兩種元素是硅(讀“guī”)和鍺(讀“zhě”)。我們常聽(tīng)說(shuō)的美國(guó)硅谷，就是因?yàn)槟抢镉泻枚嗉野雽?dǎo)體廠商。

　　二極管應(yīng)該算是半導(dǎo)體器件家族中的元老了。很久以前，人們熱衷于裝配一種礦石收音機(jī)來(lái)收聽(tīng)無(wú)線電廣播，這種礦石后來(lái)就被做成了晶體二極管。

　　二極管最明顯的性質(zhì)就是它的單向?qū)щ娞匦?，就是說(shuō)電流只能從一邊過(guò)去，卻不能從另一邊過(guò)來(lái)(從正極流向負(fù)極)。我們用萬(wàn)用表來(lái)對(duì)常見(jiàn)的1N4001型硅整流二極管進(jìn)行測(cè)量，紅表筆接二極管的負(fù)極，黑表筆接二極管的正極時(shí)，表針會(huì)動(dòng)，說(shuō)明它能夠?qū)щ?然后將黑表筆接二極管負(fù)極，紅表筆接二極管正極，這時(shí)萬(wàn)用表的表針根本不動(dòng)或者只偏轉(zhuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)，說(shuō)明導(dǎo)電不良(萬(wàn)用表里面，黑表筆接的是內(nèi)部電池的正極)。

　　常見(jiàn)的幾種二極管中有玻璃封裝的、塑料封裝的和金屬封裝的等幾種。像它的名字，二極管有兩個(gè)電極，并且分為正負(fù)極，一般把極性標(biāo)示在二極管的外殼上。大多數(shù)用一個(gè)不同顏色的環(huán)來(lái)表示負(fù)極，有的直接標(biāo)上“—”號(hào)。大功率二極管多采用金屬封裝，并且有個(gè)螺母以便固定在散熱器上。

　　1 二極管的工作原理

　　二極管實(shí)物

　　晶體二極管為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流I0。當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，p-n結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過(guò)程，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱(chēng)為二極管的擊穿現(xiàn)象。p-n結(jié)的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。

　　2 半導(dǎo)體分立元器件命名方法

　　利用二極管單向?qū)щ姷奶匦?，常用二極管作整流器，把交流電變?yōu)橹绷麟姡粗蛔尳涣麟姷恼胫?或負(fù)半周)通過(guò)，再用電容器濾波形成平滑的直流。事實(shí)上好多電器的電源部分都是這樣的。二極管也用來(lái)做檢波器，把高頻信號(hào)中的有用信號(hào)“檢出來(lái)”，老式收音機(jī)中會(huì)有一個(gè)“檢波二極管”，一般用2AP9型鍺管。

　　二、二極管的特性

　　1 正向性

　　外加正向電壓時(shí)，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)得阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱(chēng)為死區(qū)。這個(gè)不能使二極管導(dǎo)通的正向電壓稱(chēng)為死區(qū)電壓。當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓以后，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)被克服，二極管導(dǎo)通，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)二極管的端電壓幾乎維持不變，這個(gè)電壓稱(chēng)為二極管的正向電壓。

　　2 二極管的反向特性

　　外加反向電壓不超過(guò)一定范圍時(shí)，通過(guò)二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流，由于反向電流很小，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。這個(gè)反向電流又稱(chēng)為反向飽和電流或漏電流，二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。

　　3 擊穿

　　外加反向電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增大，這種形象稱(chēng)為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱(chēng)為二極管反向擊穿電壓。電擊穿時(shí)二極管失去單向?qū)щ娦?。如果二極管沒(méi)有因電擊穿而引起過(guò)熱，則單向?qū)щ娦圆灰欢〞?huì)被永久破壞，在撤除外加電壓后，其性能仍可恢復(fù)，否則二極管就損壞了。因而使用時(shí)應(yīng)避免二極管外加的反向電壓過(guò)高。

　　二極管是一種具有單向?qū)щ姷亩似骷?，有電子二極管和晶體二極管之分，電子二極管現(xiàn)已很少見(jiàn)到，比較常見(jiàn)和常用的多是晶體二極管。二極管的單向?qū)щ娞匦?，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半?dǎo)體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用也非常廣泛。

　　二極管的管壓降：硅二極管(不發(fā)光類(lèi)型)正向管壓降0.7V，鍺管正向管壓降為0.3V，發(fā)光二極管正向管壓降為隨不同發(fā)光顏色而不同。

　　主要有三種顏色，具體壓降參考值如下：紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0--2.2V，黃色發(fā)光二極管的壓降為1.8—2.0V，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0—3.2V，正常發(fā)光時(shí)的額定電流約為20mA。

　　二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系，所以在將不同的二極管并聯(lián)的時(shí)候要接相適應(yīng)的電阻。

　　4 二極管的反向擊穿

　　齊納擊穿反向擊穿按機(jī)理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。在高摻雜濃度的情況下，因勢(shì)壘區(qū)寬度很小，反向電壓較大時(shí)，破壞了勢(shì)壘區(qū)內(nèi)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，致使電流急劇增大，這種擊穿稱(chēng)為齊納擊穿。如果摻雜濃度較低，勢(shì)壘區(qū)寬度較寬，不容易產(chǎn)生齊納擊穿。

　　雪崩擊穿另一種擊穿為雪崩擊穿。當(dāng)反向電壓增加到較大數(shù)值時(shí)，外加電場(chǎng)使電子漂移速度加快，從而與共價(jià)鍵中的價(jià)電子相碰撞，把價(jià)電子撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子-空穴被電場(chǎng)加速后又撞出其它價(jià)電子，載流子雪崩式地增加，致使電流急劇增加，這種擊穿稱(chēng)為雪崩擊穿。無(wú)論哪種擊穿，若對(duì)其電流不加限制，都可能造成PN結(jié)永久性損壞。

　　3 二極管電路及其分析方法

　　理想二極管的V–I特性如圖a，虛線為實(shí)際二極管的V–I特性。圖b為其代表符號(hào)。理想二極管在正向偏置時(shí)，其管壓降為0V，反向偏置時(shí)，它的電阻為無(wú)窮大，電流為零。

　　恒壓型V-I特性如圖所示。當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)為恒定不隨電流而變(硅管典型值為0.7V)。此模型提供了合理的近似，因此應(yīng)用較廣。使用時(shí)只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時(shí)才是正確的。

　　3.1 二極管折線模型

　　對(duì)恒壓降模型作一定的修正，認(rèn)為二極管的管壓降是隨著通過(guò)二極管電流的增加而增加的即得二極管折線模型。在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電阻rD來(lái)作進(jìn)一步的近似。電池的電壓為二極管的門(mén)坎電壓Vth(約為0.5V)。當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，管壓降為0.7V時(shí)

　　二極管折線模型如下圖所示。

　　3.2 小信號(hào)模型

　　二極管小信號(hào)模型如上圖所示。如二極管在靜態(tài)工作點(diǎn)Q(vD=VD，iD=ID)附近工作，則可把V-I特性看成為一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所要求的小信號(hào)模型的微變電阻rd。

　　rd=dvD/diD

　　rd的數(shù)值還可從二極管的V-I特性表達(dá)式導(dǎo)出。

　　取iD對(duì)vD的微分，可得微變電導(dǎo)

　　由此可得

　　例如，當(dāng)Q點(diǎn)上的ID=2mA時(shí)，rd=26mV/2mV=13W。

　　值得注意的是，式(1)是二極管正向V-I特性一個(gè)很好的模型，稱(chēng)之為指數(shù)模型。利用它并根據(jù)數(shù)學(xué)迭代原理，可以較準(zhǔn)確地分析二極管電路。如借助PSPICE程序，指數(shù)模型更便于使用。