電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（四）：二極管

　　一般來講，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。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。

　　常見二極管圖示

　　一、概述

　　二極管的符號為

　　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”)。我們常聽說的美國硅谷，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)來收聽無線電廣播，這種礦石后來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娞匦裕褪钦f電流只能從一邊過去，卻不能從另一邊過來(從正極流向負(fù)極)。我們用萬用表來對常見的1N4001型硅整流二極管進(jìn)行測量，紅表筆接二極管的負(fù)極，黑表筆接二極管的正極時(shí)，表針會動，說明它能夠?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)萬用表的表針根本不動或者只偏轉(zhuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)，說明導(dǎo)電不良(萬用表里面，黑表筆接的是內(nèi)部電池的正極)。

　　常見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)來表示負(fù)極，有的直接標(biāo)上“—”號。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。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)，外界電場和自建電場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)，外界電場和自建電場進(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強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(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?，即只讓交流電的正半?或負(fù)半周)通過，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。二極管也用來做檢波器，把高頻信號中的有用信號“檢出來”，老式收音機(jī)中會有一個(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)電場得阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區(qū)。這個(gè)不能使二極管導(dǎo)通的正向電壓稱為死區(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一定范圍時(shí)，通過二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動所形成反向電流，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

　　外加反向電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流會突然增大，這種形象稱為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱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?。如果二極管沒有因電擊穿而引起過熱，則單向?qū)щ娦圆灰欢〞挥谰闷茐模诔烦饧与妷汉?，其性能仍可恢?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)已很少見到，比較常見和常用的多是晶體二極管。二極管的單向?qū)щ娞匦裕瑤缀踉谒械碾娮与娐分?，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，因勢壘區(qū)寬度很小，反向電壓較大時(shí)，破壞了勢壘區(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，致使電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。如果摻雜濃度較低，勢壘區(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。新產(chǎn)生的電子-空穴被電場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，這種擊穿稱為雪崩擊穿。無論哪種擊穿，若對其電流不加限制，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。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來作進(jìn)一步的近似。電池的電壓為二極管的門坎電壓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 小信號模型

　　二極管小信號模型如上圖所示。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。