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八月 30 2019

二极管的工作原理与特性


目录

1.概念
2.基本组成
3.工作原理

4.伏安特性

4.1正向特性

4.2反向特性

4.3反向击穿特性

4.4温度对特性的影响

  在所有的电子电路中几乎都要用到半导体二极管,它在许多的电路中起着重要的作用,是诞生最早的半导体器件之一;早期的二极管包含“猫须晶体("Cat's Whisker" Crystals)”以及真空管(英国称为“热游离阀(Thermionic Valves)”)。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。下面一起来了解一下:

  1.概念

  二极管(英语:Diode)是电子元件当中,一种具有两个电极的装置,只允许电流由单一方向流过,许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管(Varicap Diode)则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流(Rectifying)”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为顺向偏压),反向时阻断 (称为逆向偏压)。因此,二极管可以想成电子版的逆止阀。

二极管

  图1 二极管

  2.基本组成

  二极管由管芯、管壳和两个电极构成。管芯就是一个PN结,在PN结的两端各引出一个引线,并用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳,就构成了晶体二极管,如下图所示。P区的引出的电极称为正极或阳极,N区的引出的电极称为负极或阴极。

二极管结构示意图及电路符号

  图2 二极管结构示意图及电路符号

  3.工作原理

  晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

  当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

  当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

  当外加的反向电压高到一定程度时,p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。pn结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。

  4.伏安特性

  半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性——单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。

  若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成二极管的伏安特性曲线,如下图所示(图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性)。

二极管伏安曲线

  图3 二极管的伏安特性曲线

  下面对二极管伏安特性曲线加以说明:

  4.1正向特性

  二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小(几乎为零),这一部分称为死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图中OA(OA′)段。

  当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如图中AB(A′B′)段。

  二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。

  4.2反向特性

  二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图中OC(OC′)段。

  4.3反向击穿特性

  二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图1.11中CD(C′D′)段。

  4.4温度对特性的影响

  由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。

二极管外形

  图4 二极管外形

  本文介绍了二极管的概念、组成、基本原理以及特性。目前二极管已经完全融入到我们的日常生活当中,最常接触到的就是LED灯,不仅发光效果好,并且还可以有效保护眼睛,另外二极管的类型还有:检波二极管、整流二极管、阻尼二极管、开关二极管、续流二极管等等。

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