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第三节 半导体二极管

上节内容介绍了PN结的基本工程和原理,PN合适封装后就成为二极管(diode)。因此二极管与PN一样根据基体材料不同也分为硅管(silicon diode)、锗管(Ge  diode)。二极管的基本特性基本可以利用PN结的特性(feature)进行分析。下面按照二极管的外观、分类、伏安特性、静态工作点、交直流等效电路,工程设计极简化以及应用等几个方面进行介绍。

1. 二极管的外观

  • 二极管的外观(appearance) 如图1 所示,其中Cathode表示二极管的阴极(也称负极,用“-”表示),对应PN结的N端;Anode表示阳极(也称正极用“+”表示),对应PN结P端。一般二极管都有特定标志用于识别阳极与阴极。

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图1  二极管外观及符号

2.二极管符号与PN结的对应关系

二极管符号与PN结的对应关系,如图2所示。

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图2 二极管与PN结的对应关系

由于PN在P端加正电压,在N端加负电压时,PN结正偏,PN结导通,反之PN为反偏,PN截止。二极管具有相同的极性,即在二极管的阳极(正极)施加正电压,二极管的阴极施加负电压,二极管正偏,二极管两端的电压满足开启电压后二极管正向导通;反之,二极管截止。由图2可以看出二极管的阳极(Anode)对用PN结的P端(P区对应的端子),二极管的阴极(Cathode)对应PN结N端(N区对应的端子)。

3. 二极管的伏安特性曲线

PN的电流公式为:

i = Is ( equ/kT -1 )                                              (1)   等效为:

i = Is ( eu/UT -1)                                             (2) 化简为:

 i ≅Is eu/UT                                                        (3)

二极管同样遵循该这3个电流公式。

伏安特性曲线就是以曲线表示二极管电流i与二极管两端输入电压u的关系。二极管的伏安特性曲线与PN的伏安特性曲线相同,如图3所示,电流特性曲线与电流方程i = Is ( equ/kT -1 )  基本相符。但根据不同的应用场景伏安特性曲线也可以简化不同类型使用。

(1)开关特性

二极管的开关特性参见数字电路课程第一节 半导体器件的开关特性(二极管)。

 

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图3 二极管伏安特性曲线

(2)正向导通及二极管近似简化模型

当二极管的正向偏置超过开启电压后(硅二极管的开启电源约0.5V, 锗二极管的开启电压约为0.1~0.2V), 二极管正向导通后的压降一般为0.7V(硅二极管)或0.2V(锗二极管)。不同的应用场景对应于不同的二极管简化模型。常用的模型有如下3中。

  • 二极管理想化模型

理想化模型将二极管完全抽象成理想的开关模型,当二极管反偏时,二极管的完全截止,流过二极管的电流为0;当二极管正偏时,二极管完全导通,二极管两端的压降为0。其伏安特性曲线如图4所示。

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图4  二极管的理想模型

 

 

图4 中a为二极管的伏安特性曲线,红色实线部分为二极管的理想特性曲线,虚线部分为二极管真实的伏安特性曲线。在实际电路实际中如果电源电压远大于二极管的开通电压,二极管开通后流过的电流远大于开通之前的电流,一般都采用理想的二极管模型进行分析,以简化分析计算难度。图中b表示二极管理想模型的符号图。经常用理想模型进行电路分析的电路有大电流整流电路,还有用于数字开关器件的数字电路设计,如DDL(diode diode logic)电路分析等。如图5电路,当Us>> UD时,在电路分析和计算时UD可以忽略,因此在正向导通时可以近似认为UD=0V, UR=US, i=Us/R。

注:一般当Us是UD的5~10倍时,一般可以忽略UD的影响。

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图5

  • 正向压降模型

当电源的电压不满足US>>UD 的条件时,应考虑二极管正向压降带来的影响。此时二极管的伏安特性曲线如图6所示,正向压降模型于理想模型非常类似,只是在理想模型的基础上将正向导通电流在电压轴向右平移UD。图6中b表示正向电压模型的符号图。

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图6

 

例1: 图5中电源电压为1.5V,D1为硅二极管,R为2KΩ, 试计算uR,iR

解:

根据例1给定条件分析和计算如下:

(1)Us=1.5V,大于二极管的开启电压,因此二极管D1处于导通状态。

(2)D1为硅二极管,二极管的导通压降约为0.7V

(3)Us不满足Us>>UD的条件,

根据上面的分析应采用图6所示的正向压降模型。 uR,iR的计算如下:

(1) uR=Us-UD≅1.5V-0.7V=0.8V

(2)iR=(Us-UD)/R≅ (1.5V-0.7V)/2000Ω=0.8/2000=0.0004A=0.4mA

  • 修正正向压降模型

当二极管正向电流较大,或二极管电路中的较小时,此时在二极管上的压降也会随着电流的变化而变化,如果继续采用正向压降模型,对计算精度会有影响,此时可以采用如图7所示的修正正向压降模型。如图所示的电路,当R较小(如小于100欧姆)时,二极管的仅用正向压降模型求解不够精确。可以采用二极管正向电压模型叠加一个电阻的等效电路,如图7(b)所示。

 

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图7 修正正向压降模型

 

 

图7中可以测量和计算得到如图7所示的折线代替正向压降模型。

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图8

测量电路如图8所示,改变Rw,分别测出前后两次UL的电压值,得:

uD=Us-UL                                                                   (4)
ΔUD= (Us-UL1)-(Us-UL2)=UL2-UL1        (5)

根据电流公式     iD1 =UL1/(R+Rw1),iD2=UL2/(R+Rw2)可得

ΔID=iD1-iD2

rD=ΔUD/ΔiD                                                             (6)

4. 二极管得交流等效模型

二极管的交流等效模型也称为微变等效模型,当二极管在正向导通时,二极管会在伏安特性曲线的某一点附近工作,如图9中的点(UD,ID),该点称为二极管的静态工作点。如果该点的基础上叠加交流信号,二极管的电流和压降都会在静态工作点附近波动。此时二极管等效为一个动态的电阻,RD=ΔuD/ΔiD如图9中的切线(tangent line) 所示。切线值为RD的倒数。

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图9

动态电阻也可以利用二极管反向饱和电流公式的导数进行求解:

RD=ΔuD/Δi≅d(uD)/d(iD)=1/( d(iD)/d(uD) );   首先求解倒数 d(iD)/d(uD) 得:

d(iD)/d(uD)= d(Is ( eu/UT -1))/d(u)  =(Is/UT) eu/UT =Is eu/UT /UT由于二极管工作在(UD, ID)附近,因此有Is eu/UT /UT≅ ID/UT ,从而得到 公式(7),

RD≅UT/ID                                                                          (7)

公式(7)中,常温下(T=300K)时,UT≅26mV, ID 可以通过二极管得外部电路确定。

例2:图10中得直流电压源的电压为3V,D为硅二极管(导通电压为0.7V),电阻R=1000欧姆。交流电压源为ui=0.2sinωt (V), 试分析计算二极管微变等效模型的动态电阻,并画出通路电流和电阻R上的电压波形。

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图10

解:

(1)确定静态工作点, ID=(3v-0.7V)/1000=0.0023A=2.3mA,

(2)根据公式(7)中,常温下(T=300K)时,UT≅26mV, 计算得RD=26mV/2.3mA≅11.3Ω

(3)通路电流 i=(V+ui-0.7V)/(R+RD)=(3-0.7+0.2sinωt)/(1000+11.3)=(2.3+0.2sinωt)/1011.3=(2.27+0.198sinωt)mA

(4)电阻R上的电压UR=iR=1000*(2.3+0.2sinωt)/1011.3=(2.27+0.198sinωt)V

(5)通路电流和电阻R上的电压波形如图11,12所示。

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图11
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图12

 

习题:

(1)二极管电流可以从i = Is ( eu/UT -1)化简为 i ≅Is eu/UT   的条件是什么?

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