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深度了解二極管的伏安特性曲線和二極管的參數
2018.05.25

二極管的單向導電性是二極管的基本特點。
        二極管還有另外的一些特性,其中有些特性是我們掌握電子電路工作而必須了解的知識。

  電子器件的特性可以用幾種方法來描述,其一:對應幾個不同電壓值的電流值進行列表。這些值都將在表中很清楚的表示出來。還有更好的方法就是使用圖示的方法,它比數據表格更直觀。

  用得最為頻繁的就是伏-安特性曲線。電壓為橫軸,電流為縱軸。圖8-19表示出了100Ω電阻的伏-安特性曲線,原點是兩軸線的交點,在這點,電壓和電流的值都是零,即通過電阻的電壓值和電流值都是零,由歐姆定律有:

  二極管的伏安特性曲線和二極管的參數詳解 I===0A

  在橫軸為5V 處,曲線經過的點對應縱軸為50mA,通過觀察曲線,很容易的找到相應電壓的電流值。例如在10V處電流為100 mA可以用歐姆定律驗證:

  I===0.1A=100mA

  在圖8-19中,通過反向延長線,我們可以獲得反向電壓對應的電流值。反向電壓表示為VR而VF就表示正向電壓。電壓為-5V時,通過電阻的電流為-50mA 負號表示加在電阻兩端的電壓極性是反向的,因此電流也是反向的。正向電流用IF 表示,而反向電流用IR 表示。

  電阻的特性曲線是一條直線,因此,它是一個線性器件。對電阻器特性曲線并不是必須的,我們可以通過歐姆定律很容易的得到任何點的數據。

  例8-4

  圖8-19中若電阻值是50Ω,特性曲線是怎樣的?

  I===200mA

  曲線將是一條過(0,0),(10,200),(-10,-200)的直線。因此50Ω的電阻對應的曲線的斜率將比100Ω的電阻對應的曲線斜率要大。

  二極管比電阻復雜得多,它特性曲線不能通過簡單的線性方程得到。

  數學上可以用下式近似表達成:當UD ≥100mV時,近似為:

  其中IS稱反向飽和電流,UD為二極管端電壓,T 為絕對溫度,,k 是玻爾茲曼常數(8.63&TImes;10-5eV/K=1.38&TImes;10-23J/K,J為焦耳,式中e電子電荷1.6&TImes;10-19庫侖),q是電子電荷數。

  二極管的伏安特性曲線和二極管的參數詳解

  通常二極管的電流也寫成,其中,稱為熱電壓(Thermal Voltage)單位為伏。室溫即T=300K時,這是一個重要的數值,今后會經常用到它。

  圖8-20給出了典型PN-結型二極管的特性曲線。注意,它并不是線性的,電壓為零時,它不導通,直到有零點幾伏的電壓才能夠開始導通,這個電壓是用來抵消耗盡區的。通常鍺管導通要0.2V ,硅管導通要0.6V。圖8-20中也表明二極管加反向電壓時的情況,隨著反向電壓的增大,將有少量的反向電流產生,它是由少數載流子產生的漏電流,通常情況下是很小的。一般IR 軸以μA 作為單位,除非有很大的電壓加在二極管兩端,否則反向電流就沒有什么實際意義了。因此,通常VR軸以10V 或100V作為一個單位。

  圖8-21比較了硅管和鍺管的特性曲線,我們很清楚看到,鍺管導通需要比較小的正向電壓,這也是它在低壓電路時的優點。另外,可以看到,較硅管而言,給定任何電流,它的電壓降較小。由于鍺是一種較好的導體,所以流過正向電流時有較小的電阻。但是由于硅管的低價格和低漏電流,大多數情況下使用硅管。

  圖8-21同樣也對硅管和鍺管在反偏壓情況下進行了比較,在合理的VR時,硅管的漏電流非常低,通常小于10-9A,而鍺管表現了較大的漏電流,可以達到微安級,但是若超過VR的臨界值,硅管的反向電流會有一個迅猛的變化,這就是反向擊穿電壓點。也被稱為雪崩電壓。當載流子被加速并獲得足夠的能量與價電子碰撞,并使他們釋放,使得載流子產生“雪崩”。引起反向電流極大的增加。

  二極管的伏安特性曲線和二極管的參數詳解

        硅管的雪崩電壓為50V-1000V,取決于制造工藝。如果反向電流在擊穿電壓下得不到限制,二極管就會毀壞。通過使用一個可承受安全電壓的二極管??梢员苊猱a生雪崩。

  圖8-22給出了利用二極管的V-A特性曲線觀察溫度對二極管的影響。溫度用℃表示,電路正常工作的溫度范圍可以是-50℃到100℃。在底端水銀會凝固,而高端即沸水的溫度。軍用的電路溫度范圍是-65℃到125℃。由于這個溫度范圍很大,因此在材料的選擇、產品的制作過程和測試都必須格外小心。故軍用級的器件比一般的工業和商業產品要貴得多。

  通過觀察8-22的曲線,我們可以得出結論,提高溫度,硅的導電性變好。由于隨著溫度的增加,正向壓降會減小,它的阻抗也會因此而減小。這一點與硅的負溫度效應相吻合。

  二極管的伏安特性曲線和二極管的參數詳解

  1、伏安特性表達式

  二極管是一個非線性器件,其伏安特性的數學表達式為

  

  當,且時,;

  當,且時,。

  在室溫下,。

  由此可看出二極管具有單向導電的特性。

  2、伏安特性曲線

  二極管的伏安特性曲線如圖1所示。

  二極管的伏安特性曲線和二極管的參數詳解

  圖 1 二極管的伏安特性曲線

  正向特性:小于死區電壓(硅管是0.5V,鍺管是0.1V)時,。正向部分的開始階段電流增加的比較慢。在電流比較大時,二極管兩端的電壓隨電流變化很小,稱為導通電壓(硅管:0.7V,鍺管:0.3V)。

  反向特性:當反向電壓,且小于時,,反向飽和電流很小。當反向電壓的絕對值達到后,反向電流會突然增大,二極管反向擊穿。擊穿后,當反向電流在很大范圍內變化時,二極管兩端的電壓幾乎不變,擊穿后的反向特性有穩壓性。

  擊穿電壓低于4伏的擊穿主要是齊納擊穿;擊穿電壓大于6伏的擊穿為雪崩擊穿;擊穿電壓介于4伏與6伏之間時,兩種擊穿都可能發生,也可能同時發生。

  二極管發生反向擊穿時,如果回路中的限流電阻能將反向電流限制在允許的范圍內,二極管不會損壞。當反向電壓降低后,管子仍可以恢復到原來的狀態,這就是電擊穿。如果限流電阻太小,使反向電流超過其允許值,則二極管會發生熱擊穿,造成永久性損壞。

  3、溫度對二極管特性的影響

  溫度升高時,二極管的正向伏安特性曲線左移,正向壓降減??;溫度每升高1℃,正向電壓降將降低2~2.5mV。

  二極管的反向飽和電流也隨溫度的改變而改變,當溫度每升高10 ℃左右時,反向飽和電流將將增大一倍。

  擊穿電壓也受溫度的影響,擊穿電壓小于4伏時,有負的溫度系數;擊穿電壓大于6伏時,有正的溫度系數;擊穿電壓介于4伏與6伏之間時,溫度系數較小。

  4、主要參數

  二極管的主要參數有:①額定整流電流IF ;②反向擊穿電壓U(BR);③最高允許反向工作電壓UR;④反向電流IR;⑤正向電壓降UF;⑥最高工作頻率fM。

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