二极管的特性

二极管的特性（精选7篇）

二极管的特性 篇1

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。

图1是常见的二极管实物照片, 二极管的电路符号如图2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。

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3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”。

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4所示的曲线来表达。

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5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。

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6所示的曲线就表达了二极管的这一反向特性。

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7所示。有时也称为二极管的特性曲线。

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。

四、二极管的类型

普通二极管按照制作所用的半导体材料不同, 可分为锗二极管 (Ge管) 和硅二极管 (Si管) 。有些特殊二极管使用的是各种化合物材料。

根据二极管的不同用途, 可分为检波二极管、整流二极管、开关二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。其中稳压二极管、发光二极管、光电二极管属于特殊二极管, 我们应用的不是它的单向导电特性, 而是其他方面的特性, 比如反向击穿特性、光电转换特性等。

按照PN结的制作工艺, 二极管又可分为点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。点接触型二极管的“PN结”面积很小, 只允许通过较小的电流 (小于几十毫安) , 适用于高频小电流电路, 如检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大, 允许通过较大的电流 (大于几安培) , 主要用于供电系统的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管, 它不仅能通过较大的电流, 而且性能比较稳定可靠, 常常被用于开关电路中。

五、二极管的主要参数

二极管的参数用于反映二极管的各项特性, 也决定其用途, 其参数有多项, 对初学者而言, 至少必须了解以下三项主要参数:

1. 最大整流电流

二极管长时间连续工作时, 允许通过它的正向电流的平均值称为最大整流电流。电流通过二极管时会使PN结温度上升, 若温度超过一定值 (硅材料管约为120~140℃, 锗材料管约为75~90℃) 时, 管芯就会因过热而损坏。

2. 最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压超过一定值时, 二极管将被击穿损毁。为了保证使用安全, 规定了各种型号二极管的最高反向工作电压值。通常这个值约等于击穿电压值的一半。

3. 反向电流

二极管的反向电流是在规定的温度条件和最高反向工作电压作用下测得的反向电流值。这是一项最能体现二极管质量的参数。反向电流越小, 二极管的单方向导电性能就越好。反向电流与温度有密切关系, 一般温度每升高10℃, 反向电流大约将增大一倍。硅材料管的温度性能要比锗材料管好得多。

六、二极管简易测试方法

我们可以利用万用表来判别普通二极管的极性, 判断二极管性能的优劣。

二极管正向导通时, 表现出正向电阻很小;二极管反向截止时, 表现出反向电阻极大。根据这一特性, 就很容易用测量正反向电阻的方法来判别其极性。

选择万用表电阻挡, 表笔分别接触二极管的两个电极, 如图8 (a) 所示;将表笔交换位置再重新测量一次, 如图8 (b) 所示。这两次测量中, 必有一次测出的电阻值较小 (硅管约5kΩ, 锗管约2kΩ) , 表示二极管处于导通状态;另一次测出的电阻值很大 (硅管大于500kΩ, 锗管大于200kΩ) , 二极管处于截止状态。那么以测出电阻值较小的那一次 (正向) 为准, 黑表笔所接触的那个电极必然为二极管的正极, 因为黑表笔是与万用表内的电池正极相接的。

普通二极管的单向导电特性越突出, 说明它的质量越好。所以我们只要测量出二极管的正、反向电阻值并进行比较, 就可以粗略地判定它质量的优劣。正、反向电阻值差别越大, 说明二极管质量越好。一般反向电阻值都会超过正向电阻值几百倍。如果正、反向电阻值相差不大, 则说明该二极管的反向漏电流很大, 质量很差, 不可以使用。

二极管伏安特性实验装置的改进 篇2

关键词：二极管,实验装置,改进,反向特性

二极管是显示世界最关键的器件之一, 也是上海世博会景观展现中很有影响的一个元件, 也将是人们生活中越来越离不开的朋友。因此, 做好二极管的实验研究对电子专业的学生而言比较重要。尽管实验室测量普通二极管伏安特性的学生实验是一个常规实验, 同时也是一个容易被忽视的实验, 是一个说起来容易做, 做起来容易出问题、不容易做完整、做完善的的实验。

一、常规实验装置及存在的问题

1、实验室常规测量二极管的伏安特性的装置图如下:

利用这个装置对二极管的正向伏安特性也能做出来,

2、存在以下问题:

(1) 没有保护元件, 实验中经常出现烧坏二极管的事故, 事实上也很难控制;

(2) 二极管的反向伏安特性不能测量, 通常学生对二级管的反向特性的认识局限在反向击穿的肤浅概念上, 没有量的认识, 不能帮助学生加深对二极管的认识与研究。

二、测量二极管正反向伏安特性装置的改进内容

1、二极管正、反向伏安特性改进装置图和元器件数值

2、装置说明

(1) 以前由于条件限制一直用低频信号发生器现在统一用直流可调电源, 调整电源供电电压, 由原来的15伏提高到30伏;

(2) 增加电源电压显示表, 直观监测电源电压;

(3) 增加保护电阻, 电阻功率为8分之一瓦, 经过测算, 采用30伏电源, 该电阻阻值以3000欧为宜;

(4) 确定了测量二极管反向伏安特性的线路图和元件数据;

3、使用效果

(1) 可测内容增加。暂定检测内容有4项, 扩展了锗、硅二极管的反向伏安特性的测量, 全部内容在一块15*10平方厘米的有机玻璃板上布置。该装置节点只有7个, 电阻2个, 小拨动开关1个, 待测件锗、硅二极管各一个。凡连接处都在接线桩子上, 不会出现节点散乱, 节点相互短接的现象;

(2) 元器件容易购买, 价格便宜, 全套装置3元以内。

(3) 直观、方便、安全。在原装置的基础上增加了两个小电阻, 采用分压原理对待测件和电源起到了完全的保护作用, 待测二极管以检波二极管即可, 反向特性使用50微安量程即可, 电压表、正向电流表规格不变, 电源带显示表, 可保证总量控制精准;

(4) 结构合理, 误差减小。正向采用电流表外接式, 反向采用电流表内接式, 可尽量减少误差;

(5) 杜绝了待测件和电源的损坏。

三、利用新装置测量的具体实验数据

1、锗二极管

2、硅二极管

3、图示

四、我们的体会

1、本、专科的物理实验近二十个内容, 传承时间长, 也比较容易做出来, 所以很少有人去探究它们的不足或者去进行改进。但问题确实存在。因此, 在实验中发现这些实验的小问题, 并积极去研究或者拓展、完善是我们实验工作者的职责。

2、在弄通原理的基础上做实验, 关键是心要细, 在每个细小环节上用心;

光电二极管特性研究 篇3

在气压0.9×105Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 根据电路图焊接实物, 所得测量得到的数据便可计算出光电二极管的暗电流。测量出U暗的是U1=10.7m V, U2=11.7m V, U3=10.9m V, U4=11.3m V, U5=12.4m V可求出U暗的平均值为

由公式I暗=U暗/RL就可以算出I暗

即:I暗=U暗/RL=11.4m V/100K=114n A。

2. 光电二极管光电流

在气压0.9×105 Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 根据实验原理图焊接实物电路, 其中电流表上的示数即为光电二极管在偏压为6V, 光照300lx时的光电流。在上诉实验条件下测得的五组光电流的值为:I1=0.263m A, I2=0.253m A, I3=0.274m A, I4=0.241m A, I5=0.239m A

3. 光电二极管光照特性测试

在气压0.9×105Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 更具电路图, 根据实验原理图焊接实物电路, 其中电流表上的示数即为光电二极管在偏压为6V, 调节光的亮暗程度, 测定对应的光电流。实验数据:当光强为E分别为294 lx, 491 lx, 715 lx, 846 lx, 1125其对应光电流I为0.254m A, 0.577m A, 0.781m A, 0.956m A, 1.312m A。并将测定的数据绘成表格并利用Origin绘成图像, 如图1。

分析:在气压0.9×105 Pa, 26℃温度, 湿度36%下的实验条件下, 光电二极管在适当负偏压下, 由图像可以粗劣的得出当入射光的强度均匀变化时, 光电二极管产生的光电流也发生了变化, 还可以得出当光强均匀增大时光电二极管产生的光电流成比例增加。由此我们可以得出在负载电阻RL一定时, 光电二极管产生的光电流和光强成正比。一般来说随着光照强度的增加, 光电二极管的电流增大。

4. 光电二极管伏安特性数据与分析

在气压0.9×105Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 根据实验原理图焊接实物电路, 我们分别在实验条件允许下测量在光强在300lx和光强在500lx的光电流, 并改变了偏压值 (偏压值在0~-12V间) , 测得多组数据。实验数据为:当光照为400lx时偏压分别为0V, -2V, -4V, -6V, -8V, -10V, -12V, 对应光电流为0m A, 0.85m A, 1.17m A, 1.29m A, 1.39m A, 1.42m A, 1.45m A;当光照为600lx时偏压分别为0V, -2V, -4V, -6V, -8V, -10V, -12V, 对应光电流为0m A, 0.98m A, 1.86m A, 2.17m A, 2.36m A, 2.43m A, 2.49m A。并将测定的数据绘成表格并利用Origin绘成图像如图1。

分析:通过观察图像, 我们可以一眼就看出, 当光强为400lx时, 光电二极管的光电二极管随着负载电压的增大而增大, 但是在负载开始增加时光电流增加的较快, 而随后逐渐减慢, 由此可以得到在一定负载的情况下光电二极管随着负载的增加而增大, 当超过零界时负载在增大而光电二极管的光电流几乎不增加。在负载一样时光强越大光电流越大。

5. 光电二极管光谱特性测试

在气压0.9×105 Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 根据实验原理图焊接实物电路, 根据实验数据制成的图像可以准确的知道光电二极管在偏压为15V和光照为500lx时, 改变光的波长我们可以得到光电流也随之而变 (因为不同颜色的光波长不一样) 。利用公式I光=U测/RL就可以可以算出光电流 (其中U测是负载电阻RL两端的电压, I光光电流) , 并将测定的数据绘成表格并利用Origin绘成图像如图2.2。

不同颜色的光对应的波长为:

分析:通过观察图像, 我们可以一眼就看出, 当波长为700nm左右时这个光二极管的光电二极管的光电流才最大, 也就是说早700nm时光电二极管的特性最好。还可以粗劣的得出光电二极管的光电流随这波长的增大而增大。也可以看到在白光的作用下的光电流也很大, 也就是在白光下光电二极管的性能也很强。

6. 应用与创新

光电二极管是将光信号部分转化成电信号的电子元件, 当有光照在光电二极管的PN结时, 其可以吸收光的能量并将其转化为电能 (微弱) , 这样其就可以是方向截止的光电二极管导通, 光强越大, 反向导通的电流越大这就是光电二极管在电路中起到将光信号转化为电信号。当光电二极管不加电源时, 光电二极管可以利用自身的PN结在接受光照射时会产生正向电压, 如果这时我们来检测其电压, 就可以利用事先制定好的对照表来知道现在的光强, 这样就可以制成光强检测仪

针对在我国的交通信号灯在晚上特别亮而在白天亮度又不够的现状, 这个现状容易让驾驶员看不清, 从而影响红绿灯路口的通过效率, 严重时引起交通事故, 本文主要论述通过光电二极管的特性实现交通信号灯的亮度的自动调节。

7. 结语

二极管的特性 篇4

二极管是电子电路中最基本、应用最广泛的电子元件之一,在学习电子技术基础课的过程中,学生首先接触到的电子元件便是二极管。掌握理解二极管的工作特性,也是分析其他电子元件和电子电路的基础[1,2]。按现行的各种电子技术教材所叙述的内容去讲解分析二极管的导电特性,常常容易引起学生的误解,使学生掌握不到要领。在二极管特性教学中与Multisim仿真实验同步进行,加深学生的感性认识,让学生来参与推导和验证二极管特性,通过实际应用,取得了很好的教学效果[3,4]。

在中国期刊网上进行相关资料的检索,选择中国学术期刊网络出版总库、中国标准数据库、中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国重要会议论文全文数据库、中国重要报纸全文数据库、中国图书全文数据库等,以“题名”或“关键词”对“Multisim”、“Excel”和“二极管”组成“并且”关系的这些条件进行检索,或以“题名”或“关键词”对“Excel”和“二极管”组成“并且”关系的这些条件进行检索,均出现“没检索到符合条件的结果”。说明现在还没有学者或专家同时应用“Multisim”和“Excel”相关技术来对二极管进行研究和应用。现发表此论文来抛砖引玉,希望能为提高我国的科学研究、教学和实验水平有所帮助。

1 Multisim仿真教学的优势

1.1 二极管特性常规教学中存在的问题

尽管多媒体教学方式已经渗透到课程的教学当中,但无论是传统教学还是多媒体教学,由于课程本身的特点,教学中难免会出现不足之处,如对于二极管特性曲线的讲解,只有结果不讲过程,教学中并没有给予学生直观的感受,即使做一些实验,学生也是根据给定的实验步骤搭接好电路,按照要求去测量一些参数,实验机械无趣,虽然这样也能够锻炼学生的理性思维,但却忽视了学生感性思维的发展,在某种程度上大大减少了学生对问题的主动探究,有碍对问题的理解。

1.2 Multisim仿真教学的优势

Multisim是美国国家仪器公司(NI)下属的Electronics Workbench Group发布的交互式Spice仿真和电路分析软件,专门用于原理图捕获、交互式仿真、PCB设计和集成测试[5,6]。

Multisim系统中元器件和仪器丰富,包含1 000多种业内领先厂商生产的新型元器件和检测仪器,可帮助学生学会合理选择元件,了解元件的性能以及使用方法,了解仪器的使用和测量方法,开阔学生视野,提高学习兴趣。仿真电子实验还解决了因实验仪器及经费不足造成的缺憾[7,8]。另外,通过软件升级能保持实验的先进性。

采用Multisim仿真,学生可以不受时间、地点的限制,自主对电路进行性能分析,加强学生对电路的理解,以学生为主体,引导学生自己进行研究和探索,培养学生的创新思维,提高学习效率[9,10]。

2 二极管特性的仿真与分析

2.1 仿真设计

二极管正向特性测试仿真电路如图1所示,采用电流表外接法,由2 V的电压源V1、电位器R1、电流表A1、电压表U1和二极管D1组成。电位器R1对电压源V1进行分压处理,按电脑键盘的“A”键,电位器R1的百分比会减小,同时按“Shift”和“A”键,电位器R1的百分比会增大,相当于电位器的触头向下或向上移动。通过改变电位器R1的百分比来调节二极管两端的电压,这种调压方法比较方便和快捷。

分别将电位器R1的百分比调节为表1所示数据,进行仿真测试,观察记录电压表U1和电流表A1的示值,将它们填入表1。

2.2 仿真结果

测试得到数据后,按照传统的方法用手工绘制二极管的伏安特性曲线,这样做费工费时,既准确性很差,也影响直观效果,为了避免以上问题的出现,采用Excel软件对仿真测试数据进行分析处理,拟合出二极管伏安特性曲线。把表1中的仿真测试数据录入Excel中,如图2所示。选中D4,设置其值为“=B4/C4”,即可得到电压为0.02 V和电流为0.000 017 mA时的二极管电阻值为1 176.470 588 kΨ;再选中D4,让其对电压和电流的数值关系向下扩展至D19,即可得到其余的电阻值,如图2所示。

选取数据B3~B19和C3~C19(即二极管两端电压及对应电流的数据),依次操作“插入”、“图表”、“标准”、“XY散点图”、“无数据点平滑线散点图”等,设置适合的显示方式[6,7],即可得到如图3所示的二极管伏安特性参数拟合曲线。选取数据B3~B19和D3~D19(即二极管两端电压及对应电阻的数据),同上操作步骤,即可得到如图4所示的电阻特性参数拟合曲线。

2.3 结果分析

从仿真测试数据图2和拟合曲线图3、图4可以看出,加在二极管两端的电压和流过二极管的电流不成正比,它的伏安特性曲线和电阻特性曲线不是一条直线,二极管是一非线性元件。

当加在二极管两端的电压在0~0.45 V之间时,流过二极管的电流非常小,表现出的电阻非常大。特别是在0~0.4 V之间时所对应流过二极管的电流,用统一比例拟合出来的伏安特性曲线从视觉上看不出电流的变化,近视为流过二极管的电流为零,此时可以看作二极管处于截止状态。

但从图2数据上看,当加在二极管两端的电压在0~0.45 V之间时,流过二极管的电流是随二极管两端的电压增大而缓慢增大的。从图2数据和图4电阻特性参数拟合曲线上也可以发现,当加在二极管两端的电压在0~0.45 V之间时,二极管表现出的电阻是值随二极管两端的电压增大而迅速增大的。

从图2数据和图3伏安特性参数拟合曲线可以发现,当加在二极管两端的电压大于0.45 V之后,流过二极管的电流会随二极管两端电压的增大而迅速增大的,但不成正比。从图2数据和图4电阻特性参数的拟合曲线上也可以发现,二极管表现出的电阻值非常小,从视觉上看不出电阻的变化,几乎与零线重合,可以看作是二极管处于导通状态。0.45 V电压是1N4001型整流二极管的开启电压。

使用该测试方案可进一步测试二极管的反向伏安特性。

3 结语

在实践教学中Multisim对二极管的特性进行测试仿真,用Excel对测试结果进行曲线拟合、显示,完成整个测试,可以得到二极管两端的电压和流过二极管的电流之间一一对应的数据,使学生对二极管特性有一数字量的概念。此外,还有一准确的二极管特性参数拟合曲线,可使我们对二极管特性有一形象的概念和认识。这种测试方案不仅直观明了,而且方便快捷,原来需要4 个学时完成的半导体二极管特性分析学习,现在一次课即可轻松完成。由于理论和实践的结合,也激发了学生的学习兴趣和主动思考的积极性,通过实践教学可以看到把Multisim和Excel软件引入高校课堂,能够帮助学生快速牢固地掌握电子电路的基础知识,开阔眼界,为以后分析和设计电子电路打下基础。

二极管的特性 篇5

二极管内部的核心是由2块P型、N型的半导体结合在一起形成的PN结。PN结的基本特性是单向导电,同时又具有电容特性,单向导电性表现为当加有正向电压时PN结的耗尽层厚度变小,呈现的电阻阻值极小,当加有反向电压时PN结的厚度变大呈现出较大的阻值,特别是硅材料的二极管,几乎是无限大,但当加的反向电压超过某一数值时其阻值瞬间变小几乎趋于零,这一现象称为反向击穿。二极管的反向击穿分2种:一种是雪崩击穿,另一种是齐纳击穿。雪崩击穿是损坏性的击穿是不可逆的,而齐纳击穿是可逆性的,一旦电压撤掉二极管会恢复原状。稳压二极管就是利用齐纳击穿特性制造的一种二极管,利用其反向特性当施加的反向电压低于某一数值时,二极管呈现出几乎无限大的电阻,即开路状态,当施加的电压达到击穿电压时,二极管流过较大的电流呈现出极小的电阻。稳压二极管的符号如图1所示。综合二极管的上述导通、截止、反向击穿3个状态,其伏安特性曲线如图2所示。从图中即可看出二极管是一非线性器件,即在工作区阻值是变化的。

在二极管PN结耗尽层的两侧是N型、P型2种半导体,耗尽层是一个高阻层,这种结构正好符合电容的定义:两个彼此靠近而又相互绝缘的导体的组合,故二极管的两极之间存在一定的容性,这种容性表现在2个层面:一个是加正向电压时呈现的扩散电容,另一个是加反向电压时呈现出的势垒电容,平时利用电容的容性就是利用的加反向电压时呈现的势垒电容,例如制造的变容二极管就是这种器件,电路符号如图3所示。加上的反向电压愈高耗尽层厚度愈大,而PN结的正对面积不变,根据平行板电容器容量的计算公式undefined,其中ε为媒质的介电常数,s是极板正对面积,d是两极板之间的距离。显然变容二极管呈现的容量会随外加电压的升高而变小,当然普通二极管亦具有这种特性只不过没有变容二极管表现的明显。其容量随电压变化的关系曲线如图4所示。

2 在手机中的应用

2.1 变阻特性在手机中的应用

稳压二极管的变阻特性主要用在保护电路中。随着手机体积的小型化,内部电路的集成化程度愈来愈高,故电路板上出现了大规模和超大规模集成电路,这些电路与外部接口部件。例如听筒、话筒、耳机、电源等直接相连,而这些部分极易产生峰值较高的脉冲电压和静电感应电压,这些电压若损坏上述部件问题并不严重,但若通过这些部分将高电压脉冲传至集成电路,导致集成电路击穿损坏,从而使手机瘫痪是应重点考虑的问题。为此在这些部位往往利用稳压二极管的变阻特性限制该脉冲电压的出现,从而起到保护集成电路和手机的作用。

例:如图5所示,是诺基亚6150中的卡电路与电源模块集成电路的连接电路,SIM卡与卡座相连,卡座与电源块相连,由于卡座有时会处于悬空状态,SIM卡有时会带有静电干扰,V401内有4只稳压二极管,正常状态下由于SIM卡与N100相连的接线端电压较低,故V401中的二极管均处于截止状态,对手机的工作不产生任何影响,当由于静电干扰等原因使36,43,42,38各引脚出现尖脉冲并且脉冲电压超过一定的数值时极易损坏N100,但加上V401后当脉冲达到V401的击穿电压时,就会使V401击穿呈现出较小的电阻,从而将脉冲消除,起到了保护N100作用。

再如图6所示,是诺基亚6150手机的充电电路,VIN是充电直流输入端电压4.8 V左右。通过保险丝,双向稳压二极管V100,电感L104进入充电集成电路N101的第①端,F101用于过流保护,V100利用其变阻特性实现过压保护。当输入端由于电压波动或极性接错时,为防止损坏N101,V100会导通从而起到对N101的保护作用,不致于使过高或过低的脉冲电压进入N101;当电压过高并超过一定数值时,V100击穿阻值瞬间变小,将电压限定在某一数值;当输入电压极性接并超过某一数值时,V100反向击穿导通,将加到N101第①端的负电压也限定在某一数值上,从而使N101第①脚的电压值不会过高或过低。

有时亦利用二极管正向导通时的变阻特性来达到保护电路的目的。二极管加上低于门限电压的正向电压时,其正向电阻很大,当达到门限电压时二极管开始导通,流过较大的电流呈现出较小的电阻,且一旦二极管导通后,流过的电流可以有较大的变化;但两端的电压几乎恒定不变,即其正向电阻随导通电流的变大而变小,并且有较大的变化范围;这样二极管正向导通时表现出的特性很象稳压数值等于门限电压的稳压二极管。

例如图7所示,是爱立信GF768/GF788手机话筒信号输入电路。N800为多模转换器集成电路,为防止由于静电干扰等原因注入到N8001515的脉冲电压过高,在话筒输入与3.2 V电源VDIG之间加有双二极管V811,当输入信号的电平低于-0.7 V时(门限电压)二极管1导通,当高于+3.2+0.7 V=3.9 V时,二极管2导通,这样通过V811将输入信号的电压限定在+3.9～-0.7 V之间。

2.2 变容特性在手机中的应用

手机既是一个接收机又是一个发射机,接收信号的频率与发射信号的频率受控于移动中心和基站。若频率偏离指定信道的中心频率过大,就会引起手机不入网,而频率的正确与否取决于手机内基准(主时钟)频率13 MHz正确与否,而13 MHz主时钟的振荡,除受13 MHz的晶振控制外,还受控于变容二极管,即13 MHz的频率受变容二极管的调整。例如图8所示,是爱立信GF768/GF788主时钟13 MHz的振荡电路。

B500是13 MHz的晶振,他配合中频模块N500内的振荡电路构成13 MHz的振荡,振荡频率的准确与否,受VCXOCONT电压的控制。该电压加至变容二极管V210上,电压的变化引起V210容量的变化,他与B500并在一起,使整个电路总的容量发生变化,从而使振荡频率发生改变。

例:如图9所示,是诺基亚6150手机中13 MHz主时钟振荡电路,该电路是由振荡组件G650组成;VCC是供电端,AFC是自动频率控制端,GND为地线,OUT是输出端,振荡频率的稳定与准确受控于来自CPU的AFC电压,该电压加至组件内的变容二极管上。该电压的变化会引起变容二极管容量的变化,从而引起电路振荡频率的变化,确保输出信号频率的稳定与正确。

如图10所示,是摩托罗拉V8088(V998++)手机中二本振电路。振荡频率除取决于C967,C968,C994,L901外,还受CR259呈现的容量的影响;CR259上施加的电压来自鉴相器输出电压,鉴相器将该电路振荡的信号与标准信号进行频率比较,将差值转换为直流电压加到CR259上,使CR259呈现的容量发生改变,从而使振荡回路总的容量发生改变,进而振荡电路的振荡频率发生变化,直到其输出频率达到标准数值,鉴相器电压维持恒定,CR259容量恒定。

3 结 语

综上所述,二极管PN结所呈现的变阻特性与变容特性在手机中应用相当广泛,而且其阻值和容量是受PN结上施加电压的控制和影响。因此便于实现自动调节,克服了早期电路中使用手动电阻器、手动可变电容器带来的诸多缺点。因而在现代电子电路中特别是新型手机电路中,二极管的变阻性与变容性会得到进一步的开发和利用,使电路进一步优化。

摘要：二极管的基本特性是单向导电,在导通与截止的过程中其表现的阻值随外加电压的变化而变化;同时二极管也呈现出一定的电容特性,其表现的容量大小亦是随外加电压的变化而变化。因而他是一种非线性器件,这种特性在现代通信工具——手机的保护、接收、发射等电路中得到充分的利用。

关键词：二极管,变阻特性,变容特性,非线性器件

参考文献

[1]彭宏业,段哲民.小型舞蹈机器人的驱动系统设计[J].国外电子元器件,2005(4):7-8.

二极管的特性 篇6

在硅外延材料的研制中, 厚度合理的外延层过渡区是获得器件优异性能的重要因素[4]。因此, 本文中利用不同外延层过渡区结构的设计, 提高肖特基二极管的I-V特性。

1 外延材料制备

本文采用CVD方法制备硅外延片[5], 通过两种工艺条件, 生长出具有不同过渡区结构的硅外延片, 用于肖特基器件的制作, 具体的外延生长工艺条件如下:

其中本征生长是决定外延层过渡区结构的关键工艺, 本文采用调节硅源流量的方法, 以获得不同结构的外延层过渡区, 两种规格样片编号为1#、2#样片。

2 结果与分析

2.1 外延材料参数结果

本文中, 利用Nicolet6700红外测试仪, 对所制外延材料的厚度进行测试, 利用SSM495汞探针CV测试仪对外延电阻率进行测试, 结果如表2所示:

从表2的测试数据可以看出, 在合理的公差范围内 (±5%) , 两种不同的本征工艺获得了相同的外延层厚度和电阻率的参数结果;而不同的本征工艺决定了外延层的过渡区形貌, 本实验中, 利用SRP Nano2000型扩展电阻测试仪对材料的纵向电阻分布进行测试, 测试结果如图1所示。图中, 蓝色曲线为外延纵向电阻率。

从图1中可以看出, Sx=5s Lm所制样片过渡区宽度约1.8μm, Sx=8s Lm所制样片过渡区宽度1.6μm。

2.2 肖特基二极管器件测试结果

利用以上两种规格外延片, 所制肖特基器件的正向压降 (VF) 、反向击穿电压 (Vz) 、反向漏电流情况如表3所示:

2.3 实验分析

表3中, 参数1、2分别为反向电流为50μA和1m A条件下, 反向击穿电压值, 从参数中可以看出, 1#样片所制器件在不同电流条件下, 击穿电压存在0.1V的差值△Uz, 而2#样片不存在该现象, 这说明1#样片所制器件的I-V曲线, 在反向阶段击穿曲线不够陡直, 如图2所示。造成上述击穿曲线倾斜的原因, 是由于器件有源层耗尽层在反向电压作用下, 逐渐延伸到外延层过渡区, 直至达到低阻衬底, 发生穿通击穿, 由于外延层过渡区宽度的不同, 导致穿通击穿的过程不同。由于Si中电场宽度与载流子浓度成反比[6], 因此, 在反偏电压作用下, 有源层中的电厂分布如图3所示。在图3中, 随着反向电压的增大, 当耗尽层顶端B达到外延———衬底界面S的时候, 器件发生穿通击穿, 所以, 过渡区宽度越窄, 器件的击穿曲线越陡直。

根据表3中, 两个样片在不同电流下的正向压降, 绘制出器件正向I-V曲线, 如图4所示。

从图4中可以得到, 在同样电流条件下, 过渡区宽度较小的2#样片的正向压降低于1#样片, 并且2#样片的开启电压VTH较低。

3 结论

通过实验对比, 作为肖特基二极管的衬底材料, 硅外延片的过渡区形貌对器件的I-V特性具有显著的影响。较窄的外延过渡区可提高器件反向击穿特性, 获得陡直的击穿曲线, 提高器件的可靠性;另外, 对于器件的正向I-V特性, 可降低器件的开启电压, 降低肖特基二极管的工作能耗。因此, 减小外延层过渡区宽度, 有利于器件整体I-V特性的改善和提高。

摘要：本文采用化学气相沉积 (CVD) 方法, 利用平板式外延炉, 在6英寸<111>晶向, 2×10-3Ω·cm重掺As衬底上, 生长厚度11μm、电阻率1.6Ω·cm的N/N+型硅外延片, 作为100V肖特基二极管的衬底材料;实验中, 利用SRP、FTIR、CV等测试方法, 对材料的电学参数、几何参数以及过渡区形貌进行了测试分析, 通过对比不同过渡区结构对肖特基器件I-V特性的影响, 总结出外延过渡区与肖特基二极管I-V特性的对应关系, 作为材料制备的理论支撑。

关键词：硅外延片,肖特基二极管,过渡区,I-V特性

参考文献

[1]罗俊, 何其娟.信息与电子工程.第6卷.第1期, 2008.

[2]陈彦龙, 李凯, 刘长军.信息与电子工程.第10卷.第1期, 2012.

[3]电源技术应用.第5期, 2010.

[4]高玉民.西安交通大学学报.第30卷.第10期, 1996.

[5]杨树人, 丁墨元.外延生长技术[M].国防工业出版社, 1992.

二极管的特性 篇7

三极管是一般电路设计中常见的有源放大器件, 因为它有三个电极, 所以通常被称作三极管。这三个电极分别叫做集电极一般用字母C来表示;基极, 一般用字母B来表示;和发射极, 一般用字母E来表示。并且, 根据三极管内部构成, 三极管一般分成分成PNP型和NPN型两种。这两种类型的主要区别是电流方向和电压正负不同。

PNP型三极管是用基极电流IB来对集电极电流IC进行控制, E极的电压最高, 而C极的电压最低。

NPN型三极管是用基极电流IB来对发射极电流IE进行控制, 所以正常工作时的电压大小正好与PNP型三极管相反, C极的电压最高, 而E极的电压最低。

由于三极管中PN结的存在, 三极管除了一般电路设计中的电流放大作用外, 还可以通过控制三极管的基极电压, 来当做开关使用。本文就是基于三极管的开关特性所做的研究。

二、基本原理

我们以NPN型三极管为例来进行说明一下三极管的工作原理, 具体的电路符号以及基础的电路拓扑图如图2-1所示。

如图2-1所示, 通常情况下, 工程定义, 把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流, 从方向上来说, 都是从三极管的基极B上流出, 因此, 如图2-1所示, NPN型三极管在发射极E一侧使用了一个流出的箭头来表示电流方向。在这里我们就不对三极管的放大作用做详细的说明, 只针对它的开关作用做详细介绍。

三极管做开关时, 工作在截至和饱和两个状态。一般是通过控制三极管的基极电压Ub来控制三极管的导通与断开。具体的工作状态见表1。

如图2-2所示, 对于PNP型三极管来说, 只要达到条件使Ueb>Uon (这里的Uon为三极管导通电压) , 三极管就会处于导通状态, 相反如果Ueb<Uon, 则三极管就会处于关断状态。在一般的电路设计中, 集电极都会通过串联电阻接地, 所以想要达到三极管的导通要求, 就必须同时控制Ue和Ub, 并且使Ueb要大于Uon才行。通常情况下, 在进行电路设计时, 将发射极电压Ue设计为某个固定值, 这样只要控制基极电压Ub的大小, 就能控制三极管的关断与导通。

而对于NPN型三极管来说, 虽然电流方向进行了改变, 但是基本原理还是一样的, 通过控制集电极电压Ub的大小来控制三极管的关断与导通。

在实际的电路设计中, 不管对于上述哪种二极管, 它们的基极与发射极之间的正向偏压一般情况下为0.6V, 所以想要三极管处于关断状态, 三极管基极与发射极之间的电压差必须低于0.6V, 三极管基极的电流为0A, 这样三极管集电极的电流也就为0A, 使三极管达到关断;反之要想是三极管处于导通状态, 三极管基极与发射极之间的电压差必须高于0.6V。在一般的电路设计中, 为了保证三极管始终工作在关断状态, 会将基极与发射极之间的压差设计在低于0.5V。当然, 如果基极的输入电压约接近0V, 就越能保证三极管会处于关断状态。

三、电路设计

此次研究的目标为:用TTL电平 (0V与+5V切换的脉冲电平) 控制负电压输出电路。已知条件为-5V的输入电压与TTL电平的控制电压, 要求输出电压在TTL电平的控制下, 实现-0.5V与-3V的电压转换, 在TTL电平为+5V时, 输出电压为-3V;在TTL电平为0V时, 输出电压为-0.5V。

根据以上三极管的特性, 设计出的电路拓扑如图3-1所示:

当控制电平为+5V时, 为使NPN型三极管T1 (以下均简称T1) 导通, 假定分压电阻R1的阻值为50KΩ, 根据之前所述三极管基极与发射极之间的压差需高于0.6V, 所以基极电压需≥-4.4V。经过计算, 电阻R2的阻值为4.7KΩ, 此时T1三极管基极电压为-4.2V, 发射极电压为-5V, 三极管正向导通, A1点与A2点的电压几乎相等, 且约等于T1的发射极电压, 此时PNP型三极管T2 (以下均简称T2) 基极的电压就约等于-5V, 三极管T2处于导通状态。这时OUT端的输出电压就等于电阻R4与R5并联, 再与R6的分压。假定R6为1K, 经过计算, 得出电阻R4与R5的阻值分别为9KΩ和0.75KΩ, OUT端的输出电压为-3V。

根据上述的电路设计中电阻R1和R2的阻值, 当控制电平为0V时, T1的基极电压为-4.5V, 基极与发射极之间的压差低于0.6V, T1处于关断状态, A2点的电压约等于A1点的电压, 约等于0V, 所以三极管T2同样处于关断状态。此时, OUT端的输出电压就等于电阻R4与R6的分压, 既Vout=-5V*[R6/ (R6+R4) ], 由此可得OUT端的输出电压约为-0.5V。

四、结论