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王飞云

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二极管的导电性能和区域工作特点

二极管是具有单向导通的双端子器件。有电子二极管和晶体二极管。最常见和最常用的是晶体二极管。二极管的单向导通特性几乎用于所有电子电路,在许多电路中起着重要作用。它是最早的半导体器件之一,其应用范围非常广泛。我们应该很清楚很多二极管特性,让我们逐步检查以下内容。
导电性能
2.1 好评
施加正向电压时,开始时正向电压很小(锗管小于0.1 V,硅管小于0.5 V),不足以克服PN结中电场的阻塞效应。此时,正向电流接近于零,该段称为死区。这种不打开二极管的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压时,PN接线盒中的电场被克服,换句话说,二极管是正向导导的,电流随着电压的增加而迅速上升。在正常使用中,二极管的端电压在导通时保持恒定,也称为二极管的正向电压。

2.2 差评
当施加的反向电压不超过一定范围时,通过二极管的电流是由少数载流子漂移运动形成的反向电流。由于反向电流很小,二极管处于关断状态。这种反向电流也称为反向饱和电流或漏电流。由不同材料制成的二极管具有不同的反向电流。硅管约为1毫安到几十毫安,锗管可高达数百毫安。此外,反向电流受温度的影响很大。锗管的稳定性比硅管差。
2.3 反向击穿
当施加的反向电压超过一定值时,反向电流突然增加。这种现象称为电击穿。导致它的阈值电压称为二极管反向击穿电压。此外,二极管在电击穿期间会失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而过热,则单向导电性可能不会被永久破坏。电压恢复正常后,二极管可以正常工作,否则二极管损坏。因此,施加到二极管的反向电压不应超过技术参数表上标记的额定值。
实例分析
1)雪崩分解
随着PN结反向电压的增加,空间电荷区的电场增强。也就是说,通过空间电荷区的电子和空穴,电场获得的能量增加,晶体中运动的电子和空穴会不断与晶体原子碰撞。当电子和空穴的能量足够大时,通过这种碰撞,共价键中的电子可以被激发形成自由的电子-空穴对。这种现象称为撞击电离。新产生的电子和空穴在电场的作用下向相反方向移动,重新获得能量,并可以通过再次碰撞产生新的电子-空穴对。这是当前载波的乘法效应。当反向电压增加到一定值时,载流子的倍增就像陡峭的雪坡上的雪崩。载流子增加得越来越快,导致反向电流急剧增加,因此最后会发生雪崩击穿。
雪崩击穿主要发生在杂质浓度低的二极管中,需要相对较高的电压,此外,击穿电压与浓度成反比。
2)齐纳击穿
当施加较高的反向电压时,PN结的空间电荷区存在强电场,可以破坏共价键,分离被捕获的电子,使电子-空穴对形成大的反向电流。齐纳击穿所需的电场强度约为2*105V/cm,只有在杂质浓度特别大的PN结中才能实现。由于杂质浓度大,空间电荷区的电荷密度(即杂质离子)也很大。因此,空间电荷区域变窄,电场强度可以很高。因此齐纳击穿主要发生在杂质浓度较高的二极管中。如果掺杂浓度低,势垒区域较宽,齐纳击穿将很少发生。
大多数二极管的电流方向性通常称为“整流”。在二极管中,电流只允许沿单个方向通过(称为正向偏置)并反向切断(称为反向偏置)。因此,二极管可以被认为是电子止回阀。然而,实际上,二极管并没有表现出如此完美的开关方向性,而是复杂的非线性电子特征,这是由二极管的特定类型决定的。
二极管的电压和电流不是线性的,因此当不同的二极管并联时,应连接电阻。
频率特性
由于结电容的存在,当频率高到一定程度时,容抗太小,使PN结短路。在这种情况下,二极管将失去其单向导电性,无法工作。此外,PN结面积越大,结电容越大,在高频下越无法工作。

区域工作特点
1) 前向工作区
二极管是正向导通的,导通电流由外部电流决定,最大电流不超过二极管的最大正向工作电流,正向压降随电流逐渐增大,但变化不大。
2) 死区
二极管处于正偏置状态,其正向偏置电压小于其导通电压,因此二极管不能导通,正向电流为零。
3) 反向工作空间
当二极管处于反向工作状态时,其反向电流很小。通常,硅管为几uA到数十uA,二极管不导电。与正向工作区一起,该工作区反映了二极管的单向电导率,可用于整流和其他场合。
4) 反向击穿区
二极管也处于反向工作状态,但反向电压较大。尽管二极管的反向工作电流迅速增加,但反向工作电压基本保持不变。该特性可用于齐纳二极管。
V. V-I 曲线(伏安特性曲线)
金属导体,当温度没有明显变化时,其电阻是恒定的,因此其伏安特性曲线是一条穿过坐标原点的直线。具有这种伏安特性的电气元件称为线性元件,因为它们的温度可以决定电阻值。
欧姆定律是金属导体的实验定律。这个结论是否适用于其他导体还需要实验测试。实验表明,除金属外,欧姆定律也适用于电解质溶液,但不适用于气态导体(如荧光灯管、氖灯管中的气体)和半导体元件。也就是说,在这些情况下,电流与电压不成正比,这种电气元件称为非线性元件。
施加在PN结上的电压与流过二极管的电流之间的关系称为伏安特性曲线,如图所示:

u 》 0 称为正属性
u 《 0 称为反向属性
注意:二极管的管压降:硅二极管(不发光型)的正向压降为0.7V,霓虹灯管为0.3V。LED的正向管压降随不同的发光颜色而变化。主要颜色的三个参考值如下:红色LED的压降为2.0-2.2V,黄色LED为1.8-2.0V,绿色LED为3.0-3.2V。发光时的额定电流约为20mA。

反向击穿
当反向电压超过一定值U(BR)时,反向电流急剧增加,称为反向击穿。
势垒电容
相当于耗尽层宽度变化的电容器称为势垒电容Cb。
变容二极管
当PN结以反向电压施加时,Cb随着U的变化而显着变化。据此,可以制造各种变容二极管。
少数族裔航空公司
处于稳定状态的PN结的少数称为少数载流子。
非平衡少数载体
当PN结处于正向偏置状态时,从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子称为非平衡少数载流子。
扩散电容
电荷在扩散区的积累和释放过程与电容器的充放电过程相同。这种效应称为扩散电容。

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