二極管的結構、特性、參數、穩壓管的特性和參數
- 本文介紹的定義
- 一、半導體類型
- 二、PN結的結構與單向導電性
- 三、二極管的伏安特性
- 四、二極管的參數
- 五、穩壓管
本文介紹的定義：半導體、本征半導體、空穴、載流子、雜質半導體、N型半導體、P型半導體、PN結、內電場、漂移運動、擴散運動、動態平衡狀態、空間電荷區寬度、電位壁壘、正向偏置、反向偏置、反向飽和電流、單向導電性、二極管、二極管的伏安特性、正向特性、死區電壓、反向特性、反向擊穿電壓、二極管方程、最大整流電流、最高反向工作電壓、反向電流、最高工作頻率、電容效應、穩壓管、穩定電壓、穩定電流、動態內阻、額定功耗、電壓的溫度系數、穩壓管電路。
半導體：導電能力介於導體和絕緣體之間。導電能力是由原子結構決定，硅和鍺原子最外層軌道4個價電子。在硅或鍺晶體中，原子在空間排列成規則的晶格，兩個相鄰原子共有一對價電子，組成共價鍵。
本征半導體：純凈不含雜質的半導體稱為本征半導體，由於晶體共價鍵結合力很強，-273度時，晶體中不存在能導電的載流子，如果溫度升高，如室溫下，將有少數價電子克服共價鍵束縛成為自由電子，自由電子數量少，因此本征半導體導電力弱。
空穴：價電子成為自由電子時，原來共價鍵中留下一個空位，這個空位稱為空穴。可以將空穴視為帶正電的載流子。
載流子：半導體中存在兩種載流子，自由電子和空穴。
雜質半導體：本征半導體摻入某種特定雜志。
N型半導體：4價硅和鍺晶體摻入少量5價雜質元素如磷，這樣會多出來一個電子，只受原子核吸引，容易成為自由電子。N型半導體中電子濃度大於空穴濃度，由於電子帶負電，故用Negative表示。N型半導體多數載流子是電子，少數載流子是空穴。
P型半導體：4價硅和鍺晶體摻入少量3價雜質元素如硼，雜質原子和周圍硅原子組成共價鍵，將容易從其他位置的共價鍵中奪取一個電子，那其他地方就產生一個空穴。P型半導體中空穴濃度大於電子濃度。由於空穴帶正電，故用Positive表示。P型半導體多數載流子是空穴，少數載流子是電子。
可見雜質半導體導電能力提高。
半導體一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體。
PN結：如下圖所示，N區電子向P區擴散，P區空穴向N區擴散。電子空穴相遇，將消失。於是交界處產生由不能移動的正負離子組成的空間電荷區，稱為PN結、耗盡層。
內電場：擴散后，P區帶負電，N區帶正電。二者之間產生生電位差，形成的電場稱為內電場，方向從N指向P。內電場將阻止多數載流子繼續擴散，有利於少數載流子運動，即有利於p區電子向N移，不利於P區空穴向N移。
漂移運動：載流子在電場作用下的定向移動。
PN結中兩種載流子運動：多數載流子擴散運動產生擴散電流；少數載流子漂移運動產生漂移電流。
動態平衡狀態：達到動態平衡時，擴散電路與漂移電流相等，PN結中總電流為0。
空間電荷區寬度：擴散，寬度增大，飄移，寬度減小，動態平衡，寬度穩定。很薄，幾微米-十幾微米。
電位壁壘Ud：硅，0.6-0.8V；鍺，0.2-0.3V 。
正向偏置：PN結外加電壓V，正極接P區，負極接N區。
如下圖所示，外電場使P區空穴右移，與空間電荷區負離子中和；N區電子左移，與空間電荷區正離子中和，使空間電荷區變窄，有利於多數載流子的擴散運動，不利於少數載流子飄移運動。回路形成正向電流I，方向從P到N。
正向偏置，PN結接上小電壓可得到大的正向電流，防止回路電流過大，加一個電阻R。
反向偏置：PN結外加電壓V，正極接N區，負極接P區。
如下圖，P區空穴和N區電子逐漸遠離耗盡層，電位壁壘增加，不利於多數載流子擴散，有利於少數載流子漂移。回路中形成少數載流子運動產生的反向電流I。
反向飽和電流：反向電壓超過一定值，反向電流不再增加，所以稱為反向飽和電流。它對溫度敏感。
單向導電性：因此，PN結正向偏置，回路中產生較大正向電流，PN結導通；PN結反向偏置，回路產生較小反向電流，PN結截止。可見，PN結具有單向導電性。
二極管：PN結外面裝上管殼，再引出兩個電極，陽極從P引出，陰極從N引出。就成為二極管。
二極管的伏安特性：用來描述二極管的性能。流過二極管的電流I與加在管子兩端的電壓U之間的關系曲線I=f(U) 就是二極管的伏安特性。
正向特性：圖的右半部分展示正向特性。
死區電壓：正向電壓較小時，正向電流幾乎為零，正向電壓超過死區電壓時，正向電流才開始快速增長。死區電壓大小與二極管材料和溫度等有關。硅，0.5V；鍺，0.1V 。
反向特性：圖的左半部分展示反向特性。
反向飽和電流：圖中的Is表示反向飽和電流，一定范圍內，反向電流不隨着反向電壓增大而增大。
反向擊穿電壓：反向電壓繼續升高，超過Ubr，反向電流急劇增大，這種現象為擊穿。Ubr稱為反向擊穿電壓。
二極管方程：也就是PN結伏安特性表達式，Is是反向飽和電流，Ut是溫度的電壓當量。
U小於0，那么u絕對值很大時候，e的u次方就是趨於0，那么I就等於-Is。
最大整流電流If：二極管長期運行，允許通過管子的最大正向平均電流。由溫升限定。
最高反向工作電壓Ur：工作時，加在二極管的反向電壓不能超過它，否則，二極管可能被擊穿。
反向電流Ir：室溫下，二極管兩端加上規定的反向電壓時，流過管子的反向電流，Ir越小越好，因為單向導電性越好。由少數載流子形成，受溫度影響大。
最高工作頻率fm：取決於PN結結電容大小，結電容越大，允許的fm越低。
電容效應：如果二極管兩端電壓變化，PN結中存儲的電荷量也變化，像一個電容器。
穩壓管：也是一種二極管，工作在反向擊穿區。實現穩壓的原理就是，二極管工作在反向擊穿區，反向電流變化大，但是管子兩端電壓變化小，穩壓管伏安特性與符號如下圖所示。
穩壓管的主要參數如下。
穩定電壓Uz：穩壓管工作在反向擊穿區時的工作電壓，型號2DW7C穩壓管，穩定電壓在6.1-6.5V之間。
穩定電流Iz：穩壓管正常工作時的參考電流，電流低於Iz，穩壓性能變差，高於Iz，不超過額定功耗，穩壓管正常工作。
動態內阻rz：穩壓管兩端電壓和電流變化量之比，rz越小，穩壓性能越好。
額定功耗：管子兩端有電壓，管子里面流過電流，需要消耗功率，部分功率轉化為熱能，使管子發熱。
電壓的溫度系數：電流不變，溫度變化1度，引起的穩定電壓變化的百分比。電壓的溫度系數越小越好。
穩壓管電路如下圖所示。
1.外加電源正極接穩壓管N區，負極接P區，因為，穩壓管要工作在反向擊穿區。
2.穩壓管與負載電阻Rl並聯，穩壓管兩端電壓變化小，所以輸出電壓穩定。
3.流過穩壓管的電流Iz不能超過規定值，避免過熱燒壞管子。不能太小，小於臨界值Izmin，穩壓管失去穩壓作用。
4.接入限流電阻R，用來調節穩壓管的電流Iz大小。