二極體

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二極體(Diode)

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什麼是二極體

  電子元件當中,一種具有兩個電極的裝置,只允許電流由單一方向流過。許多的使用是應用其整流的功能。而變容二極體(Varicap Diode)則用來當作電子式的可調電容器。大部分二極體所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流(Rectifying)”功能。二極體最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過(稱為正向偏置),反向時阻斷 (稱為反向偏置)。因此,二極體可以想成電子版的逆止閥。然而實際上二極體並不會表現出如此完美的開與關的方向性,而是較為複雜的非線性電子特征——這是由特定類型的二極體技術決定的。二極體使用上除了用做開關的方式之外還有很多其他的功能。

二極體的分類[1]

  二極體按材料分為硅二極體、鍺二極體、砷二極體等;按結構不同分為點接觸二極體和麵接觸二極體;按用途分為整流二極體、檢波二極體、穩壓二極體、變容二極體、發光二極體、光電二極體等。

  不管構成二極體的材料如何,結構如何,特性如何,二極體均具有單嚮導電性和非線性的特點。

二極體的外形、結構與符號

  二極體是由半導體材料製成的,所謂半導體材料是指它的導電能力介於導體和絕緣體之間的一類特殊材料,半導體鍺和半導體硅都屬於這種材料。如圖所示為二極體的外形、內部結構示意和符號。

Image:二极管.jpg

二極體的兩根引腳分別稱為陽極和陰極,由P型半導體一側引出的電極稱為陽極,由N型半導體一側引出的電極稱為陰極。在二極體符號中,三角形底邊一端為陽極,另一端為陰極。符號形象地表示了二極體電流流動的方向,即電流只能從陽極流向陰極,而不允許反方向流動。

  二極體是將PN結封裝起來,並分別引出電極製成的。所謂PN結是將半導體材料(硅或鍺)利用特殊工藝製成P型半導體和N型半導體,並將這兩塊半導體用專門技術結合起來,在它們的交界面上就會形成一個稱為PN結的特殊結構。這個PN結對來自兩個方向的電流呈現不同的性質,在外加電壓足夠大時(一般約0.3~0.6V),電流只能從陽極(P型半導體一側)流向陰極(N型半導體一側),反方向是不能導通的。

二極體的電流、電壓關係[2]

  二極體的電流、電壓關係是指管內流過的電流與其兩端所加電壓之間的關係。對二極體施加正向電壓和反向電壓兩種情況時,對應有二極體的導通狀態和截止狀態。

  1.正向偏置與導通狀態

  二極體陽極接高電位,陰極接低電位,連接電路如圖(a)所示,這種連接稱為二極體的正向偏置。此時調節串聯在電路中的電阻大小可以發現,當二極體VD兩端正向電壓較低時(小於0.5V),電路中幾乎沒有電流,燈泡也不發光;當二極體兩端正向電壓大於0.5V後,電路中電流增加很快,燈泡發光。隨著電流增大,二極體VD兩端電壓維持在0.6~0.7V之間不再增加。由此可見,在正向偏置情況下,二極體表現出不同電壓下具有不同的電阻值。為了準確描述這個物理現象,可以記錄每個電壓下對應的電流,從而描繪成曲線,可得到圖(b)所示的二極體正向電流、電壓關係特性

  Image:二极管正向偏置导通与电流、电压的关系特性.jpg

  在圖(b)所示正向特性中,當正向電壓較小時,正向電流幾乎為零(曲線OA段),這時二極體並未真正導通,這一段所對應的電壓稱為二極體的死區電壓或閾值電壓,通常硅管約為0.5V,鍺管約為0.2V。當正向電壓大於死區電壓後,正向電流迅速增加,這時二極體才真正導通,由圖(b)可見,在A點以後曲線很陡,說明二極體兩端電壓幾乎恆定,硅管約為0.6~0.7V,鍺管約為0.2~0.3v。

  2.反向偏置與截止狀態

  二極體陽極接低電位,陰極接高電位,連接電路如圖(a)所示,這種連接稱為二極體的反向偏置。此時調節串聯在電路中的電阻大小發現,即使二極體兩端反向電壓較高時,電路中仍然幾乎沒有電流,燈泡不發光。當二極體兩端反向電壓到達足夠大時(對於各種二極體該電壓數值不同),二極體會突然導通,並造成二極體的永久損壞。同樣可將反向偏置情況下的二極體電流與電壓關係描繪成曲線,可得如下圖(b)所示二極體反向電流、電壓關係特性。

  Image:二极管反向偏置截止与电流、电压关系特性.jpg

  在上圖(b)所示反向特性中,當反向電壓不超過一定範圍(曲線OB段)時,反向電流十分微小並隨電壓增加而基本不變。小功率硅二極體的反向電流一般小於0.1m左右,通常可以忽略不計。當反向電壓增加到一定數值時,反向電流將急劇增加,稱為反向擊穿,此時的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極體被擊穿後,PN結不能恢複原有的性能,造成永久性損壞。綜上所述,二極體具有在正向偏置電壓下導通,反向偏置電壓下截止的特性,這個特性稱為單嚮導電性。

二極體的主要參數

  二極體的參數是評價二極體性能的重要指標,是正確選擇和使用二極體的依據,主要參數有:

  (1)最大整流電流IFM指二極體長期工作時,允許通過二極體的最大正向電流的平均值。當實際電流超過該值時,二極體會因過熱而損壞。

  (2)最高反向工作電壓URM指保證二極體不被擊穿所允許施加的最大反向電壓。實際使用中二極體反向電壓不應超過此電壓值,以防發生反向擊穿。

  (3)反向電流IR指二極體加反向電壓而未擊穿時的反向電流。如果該值較大,是不能正常使用的。反向電流愈小,二極體單嚮導電性愈好。

參考文獻

  1. 畢滿清.電子工藝實習教程.國防工業出版社,2003年05月第1版.
  2. 程周.電工與電子技術.高等教育出版社,2001.7.
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