模电知识点总结（三）——二极管

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山顶一只羊

4723人浏览 · 2023-08-06 17:04:25

山顶一只羊 · 2023-08-06 17:04:25 发布

1、二极管的结构

二极管根据其结构不同可分为面接触型和点接触型两类。

表1 面接触型和点接触型对比表
类型	特点	应用
面接触型	PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大	适用于整流，不宜用于高频电路（这是由于极间电容大导致反向恢复时间长）
点接触型	PN结面积小，承受较小的电流，极间电容也小	适用于高频电路和数字电路

2、二极管的I-V特性

图1(a)、(b)分别为硅二极管和锗二极管的I-V特性。

图1 实际二极管的I-V特性

（a）硅二极管2CP10 （b）锗二极管2AP15

二极管的I-V特性可由式（1）表示

$i_{\mathrm{D}}=I_{\mathrm{S}}(e^{\frac{v_{\mathrm{D}}}{V_{\mathrm{T}}}}-1)$ (1)

式中， $i_{\mathrm{D}}$ 为通过管子的电流， $I_{\mathrm{S}}$ 为反向饱和电流，温度一定时 $I_{\mathrm{S}}$ 一定，是一个正常数； $v_{\mathrm{D}}$ 为管子两端外加电压； $V_{\mathrm{T}}$ 为温度的电压当量，常温下 $V_{\mathrm{T}}=0.026V$ 。

（1）硅二极管的门槛电压（又称死区电压或开启电压） $V_{\mathrm{TH}}=0.5\boldsymbol{\mathrm{V}}$ ，锗二极管的门槛电压 $V_{\mathrm{TH}}=0.1\boldsymbol{\mathrm{V}}$ 。硅二极管的导通电压（即正向导通时的管压降）为0.7V，锗二极管的导通电压为0.2V。

注意：门槛电压的存在是由于外加电压需要克服PN结（即空间电荷区）的存在才能实现导通。

（2）温度升高时，二极管的正向特性左移，反向特性下移。

正向偏置时，温度升高将使少子数目增加，在外加电场的作用下，少子向PN靠近，中和掉PN结中的正、负离子，PN结变窄，从而使门槛电压变小；反向偏置时，温度升高将使少子的数目增加，漂移运动增强，所以反向电流增加，使得反向特性下移。

（3）二极管具有负温度系数，即温度升高时其电阻减小。温度升高同时会降低门槛电压 $V_{\mathrm{TH}}$ 和击穿电压 $V_{\mathrm{BR}}$ 。

3、二极管的主要参数

表2 二极管的主要参数
参数	定义	备注
最大整流电流 $I_{\mathrm{F}}$	管子长期运行时，允许通过的最大正向电流	PN结的存在会引起管子发热，电流太大会使发热量超过限度，烧坏PN结
反向击穿电压 $V_{\mathrm{BR}}$	管子反向击穿时的电压值	击穿时，反向电流急剧增大，会因过热烧毁二极管。一般规定的最高反向工作电压约为击穿电压的一半
反向电流 $I_{\mathrm{R}}$	管子未击穿时的反向电流	其值越小，管子的单向导电性越好。硅管的反向电流小于锗管
极间电容 $C_{\mathrm{d}}$	反应二极管结电容效应的参数	$C_{\mathrm{d}}=C_{\mathrm{D}}+C_{\mathrm{B}}$ ， $C_{\mathrm{D}}$ 是扩散电容， $C_{\mathrm{B}}$ 是势垒电容。高频或开关状态运用时，必须考虑结间电容的影响。
反向恢复时间 $T_{\mathrm{RR}}$	外加电压从正向偏置变为反向偏置时，二极管中的电流从正向变成反向，但其翻转后瞬间会有较大的反向电流，经过一定时间后反向电流才会变得很小。这段时间即为反向恢复时间。	存在反向恢复时间是因为扩散电容 $C_{\mathrm{D}}$ 的存在。正向偏置时结电容主要为扩散电容，当突然变为反向偏置时，扩散电容 $C_{\mathrm{D}}$ 上积累的电荷需要释放，所以会形成比较大的反向电流。扩散电容越小，反向恢复时间也就越短，工作频率也就越高。

注意：在使用时不要超过最大整流电路和最高反向工作电压。

4、二极管电路的分析方法

（1）二极管的电路符号如图2所示（注意三角形是实心的）。

图2 二极管的电路符号

（2）二极管I-V特性的建模

表3 二极管的四种建模
模型名称	解释	电路模型
理想模型	正向偏置时，认为管压降为0；反向偏置时，认为电阻无穷大，电流为零，即断路。
恒压降模型	当二极管导通后，认为其管压降时恒定不变的。硅管为0.7V，锗管为0.2V。
折线模型	在恒压降模型的基础上，认为正向管压降不是恒定的，而是随着流过电流的增加而增加的，在模型中用一个电阻 $r_{\mathrm{D}}$ 来近似。 $r_{\mathrm{D}}=200\Omega$ 。
小信号模型	小信号模型是指电路在一定的直流工作情况下，叠加一个小的变化状态。当仅考虑小信号变化时所建立的模型称为小信号模型。上述三种模型均为大信号模型。