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第一节 半导体器件的开关特性(二极管)

半导体器件一般指二极管,三极管,场效应管,MOS管等分立器件,以及集成电路等。由于集成电路已经在当代工业和数字经济中占有主导地位,形成具有代表性的半导体器件群体。因此在谈到半导体器件时一般是指分立半导体器件,如:二极管,三极管,场效应管,MOS管等分立器件。分立器件内部的工作原理在模拟电子技术基础作了详细介绍,在本课程中主要以器件工作特性为重点进行讲解,逐步引出分离器件的开关特性。

1.  二极管(Diode)及其开关特性

  • 二极管的电路符号

二极管符号随着电子技术的发展也出现变化,目前主要以新的国际符号为主,但在有些电路中依然使用旧的符号,为了能更好的阅读电路图纸和资料,这里列出新旧符号对比图。普通二极管新旧对比如图1所示,

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图1 二极管新旧符号对比图

二极管根据不同用途又分不同种类,新旧符号的差异如图2所示,

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图2 不同类型二极管新旧符号对比图

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图3 二极管极性

  二极管顾名思义含有两个端子(端口),又称为二极管的两个极,分别为阳极(Anode)和阴极(Cathode),有时也称为正极(+)和负极(—),如图3所示。

  • 二极管的单向导电性

二极管具有单向导电特性,即在阳极加正电压在阴极加负电压二极管导通,反之在阴极加正电压,在阳极加负电压二极管截至。

  • 二极管伏安特性曲线

二极管的伏安特性曲线是指二极管的电压、电流特性;由于电压单位为伏特(Volt),电流的单位为安培(Ampere),因此电压、电流曲线一般称为伏安特性曲线。

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图4  二极管的伏安特性

 

  • 二极管的伏安特性曲线中英文名词对应及解释
    • 正向电压(Forward Voltage)与反向电压(Reverse Voltage),加在二极管的正负极之间的电压,如果在阳极加正电压,在阴极加负电压则为正向电压,反之则为反向电压。
    • 正向电流(Foward Current)与反向电流(Reverse Current),当二极管加正向电压时,二极管从阳极流向阴极的电流为正向电流,反之为反向电流。
    • 正向开启电压(cut-in voltage),如图4标注”knee”的位置,为正向开启电压,简称开启电压。当二极管加正向电压时,在达到正向开启电压之前,二极管仅流过微小的正向电流,一般为几微安到1毫安之间,此时一般认为二极管处在截至状态;一旦正向电压超过开启电压后,二极管的电流随电压增加呈现指数规律增长的趋势。一般硅二极管(Silicon Diode)的开启电压为0.5~0.6V,锗二极管(Germanium Diode)的开启电压为0.2~0.3V。
    • 正向导通(forward conduction),二极管真正导通是指当二极管正向电压超过开启电压时的状态,二极管正向导通后,一般随着二极管正向电压增大,电流极具增加,因此如果二极管的电流在一定范围波动,一般认为二极管上的压降为硅管0.6~0.7V,锗管0.1~0.2V。
    • 反向截止(Reverse cut-off),当二极管加反向电压时,一般认为二极管是截止的,但实际情况当反向电压到达反向击穿电压之前还是有微小的反向电流流过二极管的,硅二极管的反向截止电流一般在20uA左右,锗二极管的反向截止电流一般为50uA左右,一般称为反向漏电流。
    • 反向击穿电压(Reverse Breakdown Voltage),当二极管的反向电压达到某一点后,二极管的反向电流突然增大,如同开关闭合一样,此时认为二极管几乎处在短路状态,微小的反向电压就会引起巨大的电流波动。
    • 导通区(conduction region),当正向电压超过开启电压后,二极管处在开启状态,此时对应的区域为导通区。
    • 截止区(cut-off region),从反向击穿点到开启点这段区域为二极管的截止区。
    • 反向击穿区(reverse breakdown region),反向电压超过击穿电压这段区域称为反向击穿区。
  • 二极管在数字电路使用时简化的伏安特性曲线

在数字电路中由于二极管的许多细节对开关特性的分析没有实质性影响,因此为了简化分析和设计,一般采用简化的伏安特性曲线, 如图5所示,

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图5 简化的二极管伏安特性曲线

在良好的数字电路设计中一般保证不会使二极管处在反向击穿区,同时数字电路中在满足正电平的条件下,正向电压远大于开启电压,二极管的伏安特性曲线可以进一步简化成图6所示的曲线,但需记住图6描述的特性曲线使用是有条件的。

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图6

图6描述的特性曲线极大简化二极管的分析和使用,而且在数字电路的分析中也是准确的。即在正向电压大于0时,二极管处在开启状态,在正向电压小于0(加载负向电压)时,二极管是截止的。

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  •     二极管导通与截止的等效电路
    • 导通等效电路

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图7

如图7所示,当ui大于开启点后,电路等效为:

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图8

    图8中由于系统电压Ui=5V >>0.7V, 在一定误差范围内对于工程分析结果影响不大的情况下,可以简化为图9所示的电路。

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图9

    • 截止等效电路

当Ui小于开启电压时(含Ui<0)时,此时认为二极管是断开的,其等效电路为如图10所示。

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图10

2. 二极管的分类

二极管根据构造、使用材料、用途等等可以分类如下:

  • 按照材料的不同,分为硅型和锗型二极管。
  • 按照接触型分为:
    • 点接触型二极管:点接触型二极管的PN结接触面积小,不能通过较大的正向电流和承受较高的反向电压,但它的高频性能好,适宜在高频检波电路和开关电路中使用 。
    • 面接触型二极管:面接触型二极管的PN结接触面积大,可以通过较大的电流,也能承受较高的反向电压,适宜在整流电路中使用。
    • 平面型二极管:是一种特制的硅二极管,它不仅能通过较大的电流,而且性能稳定可靠,多用于开关、脉冲及高频电路中。
  • 按照功能分为:整流二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、红外二极管等 。

 

 

 

 

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