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      二极管的单向导电特性图文详解

      作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 17:21

        二极管是诞生最早的半导体器件之一,几乎在所有的电子电路中,都会用到半导体二极管。
        从本质上看,二极管就是一个PN结加上电极和外壳封装而成的。所以,单向导电性是它最重要的特性。电路中的二极管,电流只能从正极流向负极。
        二极管的单向导电性,也就是在正向电压的作用下,导通电阻很??;而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。
        二极管的电路符号如图1所示,箭头指示电流可通过的方向,也就是从P到N的方向。所以也可以认为这个箭头代表P区,是二极管的正极。箭头前的短线代表N区,是二极管的负极。一般在符号边上必须标出字母VD或D,表示这是二极管。
        为了正确地使用二极管,我们需要更详细地了解它的单向导电特性。下面通过简单的实验来说明二极管的正向特性和反向特性。

      二极管的电路符号 
      图1 二极管的电路符号
       
        一、二极管的正向特性
        在电子电路中,将二极管的正极接在高电位点,负极接在低电位点,这一状态叫做给二极管加“正向偏置”,或简称二极管“正偏”。这时二极管表现出的特性就是“正向特性”,亦即二极管正向应该是导通的。 假设现有一只硅材料二极管,接成如图2所示的测试电路,二极管就处于正向偏置,现在来研究加在二极管两端的电压和通过二极管的电流之间的关系,也称正向“伏安特性”
      测试电路 
       图2 测试电路
        当正向电压从0伏开始逐渐升高,直至0.4V时,毫安表的指针都没有摆动,说明没有电流通过二极管。当正向电压加至0.5V左右时毫安表的指针才开始摆动,说明从此刻开始,才有很小的电流通过二极管。此后,继续增大正向电压,通过二极管的电流迅速增大,正向电压略微增加,电流就有很大的变化。当正向电压加至接近0.7V时,通过二极管的电流已经达到几十毫安,甚至几百毫安。这种规律可以用图3所示的曲线来表达。
      特性曲线 
      图3 特性曲线
        我们把二极管开始导通时的电压(0.5V)称为“起始电压”(也有称之为“门坎电压”),把0~0.5V这一区域称作二极管的“死区”,表示虽然已经加入正向电压,但二极管还没有被激活,还是不导通的。
        为什么会存在“死区”呢?这是因为此时所加的正向电压很小,外电场强度还不足以克服内电场的影响,P区和N区的多数载流子还无法穿越PN结。 当正向电压超过0.5V后,外加电场抵消了PN结内电场影响,使多数载流子的扩散运动在外电场的支持下得以继续,所以开始有电流通过PN结。显然,正向电压继续增大,外加电场将使多数载流子得到更大的能量穿越PN结,形成更大的电流。
        当二极管的正向偏压接近0.7V时,内电场的影响已被大大削弱,可以通俗地理解为此时PN结的作用已消失,二极管相当于是一个电阻,充分导通了。这个时候如果继续提高正向电压,又没有限制电流的措施,二极管就会因为电流过大而损毁。
        如果将硅材料二极管换成锗材料的二极管,我们发现它的电流随电压变化的规律与硅二极管基本相同,差别在于“起始电压”值只有0.2V左右,而充分导通时,它的端电压只在0.3V左右。
       
        二、二极管的反向特性
        如果将二极管的正极接低电位点,负极接高电位点,这一状态叫做给二极管加“反向偏置”,简称二极管“反偏”。这时二极管表现出的特性就是“反向特性”。现在将一只硅材料二极管,接成如图4所示的电路,使二极管处于反向偏置,我们再来看看它的导电状态。
      二极管反向偏置电路 
      图4 二极管反向偏置电路
       
        当外加电压从0V开始增大至几伏时,可以看到电流表有些微偏转,说明有微小电流通过二极管。然后将反向电压继续增大,在一段较大的变化范围内,这一小电流值并没有变化,我们称这一电流为二极管的“反向饱和电流”。由于反向电流非常小,大约只有几微安至几十微安,所以在分析电路时通常都将它忽略,认为二极管是截止的。这是因为外加反向电压与PN结内电场方向是一致的,外电场加强了内电场的影响,使PN结变得更厚了,多数载流子更是无法穿越PN结,只有极少量的少数载流子在外电场作用下通过PN结,形成极小的反向电流。
        值得注意的是,当反向电压继续增大,达到几十伏(或更高)时,电流表指示反向会电流急剧增大,且越来越大,以至在很短的时间里二极管就烧毁了。这种状态被称作二极管“反向击穿”,我们把开始出现击穿现象的电压值称为“反向击穿电压”。图5所示的曲线就表达了二极管的这一反向特性。
       二极管反向特性曲线
      图5 二极管反向特性曲线
       
        出现反向击穿的主要原因是:当反向电压很大时,在外电场和内电场共同作用下,PN结内共价键结构被“摧毁”,使大量原来被束缚的价电子在瞬间变成自由电子,载流子数量骤增,形成很大的电流。所以普通二极管不应该工作于击穿状态。
        不同材料组成的二极管,反向饱和电流大小不同,反向击穿电压的大小也不同。一般说来,硅材料二极管的反向饱和电流要比锗材料二极管小得多,而击穿电压则比锗材料二极管高一些。但同样材料的二极管由于制作工艺的差别,击穿电压值也会有很大不同,所以二极管的反向击穿电压在数值上是差异是很大的,使用中必须注意查看《手册》。
       
        三、二极管的伏安特性
        二极管的伏安特性是指将所测得的电流(ID)和电压(UD)数据,在ID-UD坐标中做出一系列相应的点,并把这些点连成一条光滑的曲线,该曲线即为二极管的伏安特性,如图6所示。有时也称为二极管的特性曲线。
      二极管的特性曲线 
      图6 二极管的特性曲线
       
        由二极管的伏安特性可知,当二极管所加正向偏压比较小时,尚不能使之导通;只有当正向偏压超过起始电压USD时(硅管0.5V,锗管0.2V)二极管才开始导通。
        当二极管充分导通时,正向偏压值(或称管压降)只在0.7V(硅管)或0.3V(锗管)左右。
        当二极管加上反向偏压时,并没有完全截止,而是存在反向饱和电流,但电流值极小,通常将它忽略。
        当二极管所加的反向偏压超过反向击穿电压(UBR)时,将出现“反向击穿”,在瞬间产生很大的反向电流,二极管反向击穿往往造成PN结损毁。
        由上述可见,通过对二极管伏安特性的描述,使我们对二极管电流随电压变化的规律加深了认识,为今后分析二极管在电流中的工作状态,以及正确使用二极管都打下一定基础。
       
       
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