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二极管

1、基本概念

二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性能, 即给二极管阳极和阴极上正向电压时,二极管导通;当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管截止。 因此,二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开。

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图1 常用二极管符号

2、PN结原理

P型半导体是在本征半导体(一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体)掺入少量三价元素杂质,如硼,硼原子只有三个价电子,它与周围的硅原子形成共价键,因为缺少一个电子,在晶体中便产生一个空位,当相邻共价键上的电子获得能量时就有可能填补这个空位,使硼原子成了不能移动的负离子,而原来的硅原子的共价键则因缺少一个电子,形成了空穴,但整个半导体仍呈中性。 N型半导体形成的原理和P型原理相似,在本征半导体中掺入五价原子,如磷,掺入后,它与硅原子形成共价键,产生了自由电子。 因此,在本征半导体的两个不同区域掺入三价和五价杂质元素,便形成了P型区和N型区,根据N型半导体和P型半导体的特性,可知在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差异,电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散,它们的扩散使原来交界处的电中性被破坏。

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图2 PN结工作状态

3、伏安特性

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图3 二极管伏安特性曲线

在硅二极管两端加正向电压,当电压值较小时,电流极小; 当电压超过0.6V时,电流开始按指数规律增大,通常称此为二极管的开启电压; 当电压达到约0.7V时,二极管处于完全导通状态,通常称此电压为二极管的导通电压; 对于锗二极管,开启电压为0.2V,导通电压约为0.3V。 在二极管两端加反向电压,当电压值较小时,电流极小,其电流值为反向饱和电流IS; 反向电流越小,管子的单方向导电性能越好; 当反向电压超过某个值时,电流开始急剧增大,称之为反向击穿,称此电压为二极管的反向击穿电压。

4、二极管分类

(1)整流二极管:将交流电转变为直流电,具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造,硅整流二极管的击穿电压高,反向漏电流小,高温性能良好,通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿)。这种器件的结面积较大,能通过较大电流(可达上千安),但工作频率不高,一般在几十千赫以下,主要用于各种低频半波整流电路,如需达到全波整流需连成整流桥使用。

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图4 桥式整流电路

(2)稳压二极管:又叫齐纳二极管 ,它是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。

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图5 稳压二极管典型应用电路

(3)发光二极管:发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。

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图6 发光二极管

5、二极管主要参数

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图7 1N4001参数

(1)正向电流IO:在额定功率下,允许通过二极管的电流值;

(2)最大整流电流IFSM:在半波整流连续工作的情况下,允许的最大半波电流;

(3)正向电压降VFM:二极管通过额定正向电流时,在两极间所产生的电压降;

(4)反向击穿电压VRRM:二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值;

(5)均方根反向电压VRMS:二极管正常工作时所允许的平均反向电压,通常VRMS为VRRM的三分之二或略小一些;

(6)反向电流IRM:在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值;

(7)结电容CJ:电容包括电容和扩散电容,在高频场合下使用时,要求结电容小于某一规定数值。

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