结型二极管的特性

在本文中，我们将研究结型二极管的特性，并学习如何分析包含在正向、反向和击穿偏压下工作的二极管的电路。

结型二极管特性

二极管常见的应用之一是 pn 结。该 pn 结可用于操作和实现二极管的功能，因为它可以在正向传导相当大的电流，而在反向方向几乎不传导电流。在本文中，我们将重点关注  结型二极管的 i - v特性，特别是 pn 结。

图 1.1 说明了硅结二极管的特性。图 1.2 中显示了同一二极管及其特性，以说明二极管的更多特性。查看图 1.2，请注意原点处有一个不连续点；这种不连续性是由反向和正向电压的比例变化引起的。pn结的特性曲线由三个独特的区域组成：

 正向偏置区域 - 这由 v  > 0决定

 反向偏置区域 - 这是由 v  < 0决定的

 击穿区域 - 这由 v  < - V ZK决定

我们将从正向偏置区域开始了解这些区域中的每一个。

正向偏置区

当端电压为正时，正向偏置区开始工作。在这个区域中，iv 关系的特点是：

 

i=IS(ev/VT?1)i=IS(ev/VT?1)

公式 1.1

 

图 1.1 硅结二极管的特性

 

图 1.2 二极管电流与电压关系详图

 

在公式 1.1 中，I S 是给定温度下特定二极管的常数值。该电流 I S 称为饱和电流。或者，更常用的另一个名称是刻度电流。这个刻度参考名称源于电流 I S，它与给定结二极管的横截面积成正比。考虑到这一点，如果结型二极管的面积加倍，则 I S的值也 随之加倍。

至于小信号二极管，在需要高频或小电流的电子电路（如电视机、收音机和数字逻辑电路）中非常常用，Is一般在10 -15 Amps数量级 。刻度电流被认为是温度的强函数，温度每升高 5oC，电流就会翻倍。

如果我们再次查看公式 1.1，电压 VT 称为热电压，它是一个常数，由下式给出： 

 

$${}_T=\frac{kT}{q}$$    

公式 1.2

 

和 

k = 波尔兹曼常数 = 1.38?10 -23 焦耳/开尔文T = 以开尔文为单位的温度 = 273.15 + 以 oC 为单位的温度q = 电荷量 = 1.60?10 -19 库仑

那么如果我们将玻尔兹曼常数代入方程 1.2，我们得到：

 

\frac{k}{q}=\frac{1.381\cdot^{-23}\frac{J}{K}}{1.602\cdot ^{-19}C}=86.2\frac{\mu V {K}

公式 1.2a

 

由于根据定义 1 V = 1 J/C，我们有 

 

$${}_T=\left(86.2\frac{\mu V}{K}\right)T$$

 

如果我们考虑室温 (20oC)，公式 1.2a 提供的 V T电压值为 25.3 mV。 

如果我们观察以电流i正向工作的结型二极管 （对于i  >>  I S 更是如此 ）， 则可以通过电压的指数关系估算公式 1.1：

 

$$i?{}_S{}^{}$$    

公式 1.3

 

同样的等式可以写成对数形式，也可以写成

 

$$v={}_{T}ln\frac{i}{{}_S}$$    

公式 1.4

 

这种指数关系是结型二极管的一个非凡特性，已被用于许多引人入胜的应用中。 

现在看看公式 1.3 中的正向偏置 i - v关系，我们可以计算出 具有相应二极管电压 V 1 的 电流 I 1为

 

$${}_1={}_S{}^{}$$

 

等效地，如果我们有一个二极管电压 V 2，我们将有一个二极管电流 I 2 由下式给出

 

$${}_2={}_S{}^{}$$

 

因此，我们可以将这两个方程结合起来得到

 

$$\frac{{}_2}{{}_1}={}^{}$$

 

其中，通过简化，提供

 

$${}_2?{}_1={}_{T}ln\frac{{}_2}{{}_1}$$

 

仔细观察图 1.2，我们发现当v小于 0.5 v 时，电流很小  ，我们认为可以忽略不计。该电压值被称为切入电压。这是二极管开始显着传导时的确定正向电压。电流-电压特性中的这个阈值是指数关系的结果。

这种关系的另一个结果导致电流 i的快速增加。此外，对于被称为“完全导电”的二极管，电压降在相当窄的范围内，大约为 0.6 至 0.8 V。这为二极管提供了一个简单模型，因为我们假设导电二极管具有电压大约 0.7 V 穿过它。有许多不同的二极管会表现出相同的 0.7 V 压降，但电流值不同。例如，如果我们考虑一个小信号二极管，则在i = 2 mA时会有 0.7 V 的压降  ，而更大功率的二极管在 i  = 2 A时可能有相同的 0.7 V 压降。

反向偏置区

当二极管的电压 v 变为负值时，该区域开始工作。本文中讨论的个等式，即等式 1.1，说明如果电压为负且略大于 V T  (~25.3 mV)，则指数项 $$\frac{v}{{}_T}$$, 与整体相比是微不足道的。因此二极管的电流可以表示为：

 

$$i??{}_S$$

 

这意味着，如果电流方向相反，则认为它是恒定的并等效于 I S。因为这个电流是一致的，所以得名“饱和电流”。 

然而，真正的二极管确实会出现这些反向电流，虽然它们可能相对较小，但比I S大得多 。例如，如果我们观察一个据说为 10 -14 至 10 -15  A 的小信号二极管的饱和电流，它可能会表现出 1 nA 的反向电流。该电流将随着反向电压幅度的增加而部分增加。由于反向电流的幅度相对较小，因此无法在图 1.2 中看到电流-电压特性。 

击穿区域

二极管工作的一个区域称为击穿区域，如图 1.2 所示。只有当反向电压的幅度超过与特定二极管本身相关的阈值（称为击穿电压）时，才会进入该区域。这也就是图1.2中电流-电压曲线的“拐点”，标记为 V ZK，其中Z表示齐纳二极管，K代表拐点。 

当我们查看说明电流-电压特性的详细图时，我们看到反向电流在击穿区域急剧增加，而电压降相当小。二极管击穿通常不是破坏性的，前提是二极管内耗散的功率被外部电路限制在安全水平。该级别通常在设备上或设备手册中指定。因此，有必要将该击穿区域中的反向电流限制为与允许的功耗一致的特定值。 

还有一点值得注意的是，由于击穿区的电流-电压特性非常接近垂直线，我们可以将其用于稳压应用。我们将在另一篇文章中对此进行讨论。