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二極管的種類及作用二極管的構造與特性

時間:2022-5-27 11:09:00
摘要: 我們知道有兩種類型的半導體材料:本征半導體和外征半導體。在本征半導體中,電子數和空穴濃度在室溫下是相等的。在非本征半導體中,將雜質添加到半導體中以增加電子數或空穴數。這些雜質是五價(砷、銻、磷)或三價(硼、銦、鋁)。半導體二極管有兩層。一層是p型,另一層是

最近看到一個奇怪的電路符號,很熟悉,但是卻想不起來它到底是干什么用的了。知識的用進退廢在我的腦子里展現的淋漓盡致。就下面這個符號,這就是一個典型的二極管的標志??啥O管到底能做什么用呢?其實標志上就說的一清二楚了:單向導通電流。就這個單向導通的功能,奠定了二極管極為重要的應用基礎。它就像城市中的單向道路,指導電流向你想要的地方前進。雖然我很討厭單向道路。但是在電路中就很喜歡了,因為我們想掌控電路中的一切。

一個理想的二極管就像一扇單向開的門一樣,只允許電流超一個方向流通,這個流通的方向稱為正向,而阻止電流超另一個方向流通,這個方向就是反向。

二極管的種類

根據二極管的特性,可以將二極管分成多個類型。

齊納二極管——齊納二極管是二極管的一種,它允許電流正向流動,它也可以工作在反向擊穿但在擊穿狀態下,齊納二極管有穩壓應用,齊納二極管使用pn結在反向偏置模式,給齊納效應。

隧道二極管——隧道二極管用于微波應用。

肖特基二極管——肖特基二極管是一種金屬-半導體結二極管,也稱為熱載流子二極管、低壓二極管或肖特基勢壘二極管。肖特基二極管由半導體與金屬的結形成。肖特基二極管提供快速開關動作并具有低正向壓降。正如我們所知,在PN結二極管中,p型和n型連接在一起形成PN結。而在肖特基二極管中,使用鉑或鋁等金屬代替 P 型半導體。

發光二極管——它是最有用的一種二極管,當二極管以正向偏置連接時,流過結的電流產生光。

可變電容二極管——這種二極管也稱為VARICAP二極管,盡管可變電容的輸出可以表現出一般的pn結二極管,但由于它們是不同類型的二極管,這種二極管被批準提供首選的電容變化。

光電二極管——這種以一定的光能產生電流的二極管落在它上面,在正向偏置電流從p轉移到n的情況下,而在反向光電流反向流動的情況下,有兩種類型的光電二極管即PN光電二極管和PIN光電二極管。

二極管的構造

我們知道有兩種類型的半導體材料:本征半導體和外征半導體。在本征半導體中,電子數和空穴濃度在室溫下是相等的。在非本征半導體中,將雜質添加到半導體中以增加電子數或空穴數。這些雜質是五價(砷、銻、磷)或三價(硼、銦、鋁)。

半導體二極管有兩層。一層是p型,另一層是n型半導體。

如果我們在半導體(硅和鍺)中添加三價雜質,則會出現更多的空穴并且它是正電荷。因此這種類型的層被稱為 p 型層。

如果我們在半導體(硅或鍺)中添加五價雜質,由于電子過多,就會產生負電荷。因此這種類型的層被稱為n型層。

在 N 型區域中,多數電荷載流子是電子,少數電荷載流子是空穴。而在 P 型區域中,大多數電荷載流子是空穴,而負電荷載流子是電子。由于濃度差異,擴散發生在大多數電荷載流子中,它們與相反的電荷重新結合。它產生正離子或負離子。他們聚集在路口附近。而這個區域被稱為耗盡區。

當二極管的正極或p型接負極,n型或負極接電池正極時,這種二極管接反偏。

當正極或p型端接電池正極,n型或負極接電池負極時,這種二極管接正向偏壓。

前向偏置

在偏置半導體連接到外部源。當 p 型半導體連接到源或電池的正極端子而負極端子連接到 n 型時,則稱這種類型的結是正向偏置的。在正向偏壓中,結附近的內建電場方向與外加電場方向相反。這意味著合成電場的大小小于內置電場。因此,電阻率較小,因此耗盡區較薄。在硅中,電壓為 0.6 V 時,耗盡區的電阻完全可以忽略不計。

反向偏置

在反向偏置中,n 型連接到電池的正極,p 型連接到電池的負極。在這種情況下,施加的電場和內建電場的方向相同,并且電場的結果比內建電場的幅度更大,從而產生更大的電阻,因此耗盡區更厚。如果施加的電壓變大,則耗盡區變得更電阻和更厚。

無偏二極管

當沒有外部源應用于半導體時,稱為無偏二極管。電場建立在 p 型和 n 型材料之間的耗盡層上。發生這種情況是因為不平衡。由于摻雜而產生的電子和空穴。在室溫下,對于硅二極管來說,0.7V 是勢壘電位。

二極管的特性

二極管IV曲線

請注意,對于典型二極管,y 軸上的電流在 0.7 伏的正向電壓下如何流過二極管。擊穿電壓是電流開始沿相反方向流動的地方,對于典型的二極管來說,這是 -50 伏特。所有真正的二極管也會有漏電流,其中電流會在沒有正向偏置時從陰極流向陽極。有時,您可能需要了解其他特性,例如二極管電阻。對于許多電路來說,這并不是一個真正出現的因素。然而,對于更敏感的電路,在正向偏置模式下計算二極管電阻的一種方法是您可以使用經典的電阻 = 電壓 / 電流方程。在這種情況下,您可以針對不同的電路模式測量二極管兩端的二極管電壓降,這些電路模式與通過二極管的電流有關。

二極管方程

Is = 暗飽和電流

q = 電子電荷值

Vd = 二極管兩端的電壓

n = 理想因子,對于理想二極管,n = 1,對于實際二極管,n = 1 到 2

k = 玻爾茲曼常數,1.38064852E-23 焦耳/開爾文

T =溫度(開爾文)

常見的二極管電路

整流二極管

半波整流

如果我們只想要一個正弦信號的上半部分,可以直接在電路中加入一個二極管,利用二極管的單向導通作用,濾除信號的下半部分。如下圖所示。

全波整流

半波整流有個缺點就是有一半的信號能量給消耗掉了,有時候我們更需要全波整流。這個時候可以用下面的二極管電路來實現。如下圖所示(動畫有點慢,耐心看完)

反激二極管

這個有時候也叫緩沖二極管、續流二極管和抑制二極管。反激二極管是一種使用二極管來減少突然電壓尖峰的便捷方式,該尖峰在通過感性負載的電流突然變化時發生。正如我們在關于電感器的文章中所討論的那樣,每當電感器看到通過它的電流發生變化時,它都會產生一個 EMF 電壓尖峰以試圖穩定電流變化。

在許多電路中,這種產生的 EMF 通常是不需要的,有時會損壞電路的其他部分。為了消除損壞,可以放置一個二極管,以便在出現 EMF 電壓尖峰時鼓勵電流流過二極管,而不是流經可能損壞的其他電路組件。一個有用的常見電路是小型風扇或繼電器電感器的控制。通常,大多數數字引腳可以提供小于 20 毫安的電流,因此需要電流放大器。請參見下面的示例二極管原理圖。

NPN晶體管在這里工作得很好,因為數字引腳可以提供 10 毫安的電流來打開 NPN 晶體管,并且晶體管可以處理風扇或繼電器電感器所需的安培左右的電流。每當晶體管關閉時,電感器就會看到電流急劇下降并產生反電動勢尖峰。

如果沒有二極管,尖峰將流過晶體管,通常會損壞它。通過將二極管與電感器并聯,EMF 電壓尖峰使二極管導通,并允許電流流過二極管并返回電感器并消散。這種電流回流到電感器是這種二極管名稱的來源。

穩壓二極管

齊納二極管設計為在擊穿電壓模式下工作。利用這一點的一種方法是使用齊納穩壓器。我們只需要一個電阻和一個正確選擇的齊納,就可以為我們提供所需的電壓輸出。下面可以看到一個示例齊納二極管電路。

齊納二極管會將輸入電壓降至該電路中二極管的擊穿電壓以用于輸出。為了做到這一點,它必須允許電流流過二極管,這將作為熱量消散,但僅當輸入電壓高于擊穿電壓時。所需的輸出電壓將決定齊納二極管,因為您將根據其擊穿電壓選擇二極管以匹配輸出電壓。你必須得到一個可以處理必須耗散的功率的二極管。

阻塞二極管

二極管的這種使用只是對二極管用于引導電流僅沿一個方向流動的情況的名稱。

一個很好的例子是太陽能電池板和電池充電器電路。當太陽出來并且太陽能電池板產生電流時,它們的電壓通常會高于電路正在充電的電池,因此電流將從電池板流入電池。

然而,在夜間,沒有陽光照射到太陽能電池板上,因此它們不會產生電流。此時電池將處于更高的電壓并且沒有阻塞二極管,電流將從電池流入面板,浪費能量。當在太陽能電池板和電池之間放置一個二極管時,它將允許電流從電池板流入電池,但不允許電流從電池流入電池板。因此,它“阻止”了電流以不希望的方式流動。

另一個有用的地方是電路中的電池。任何時候有人可能將電池裝反,或將直流電源插反,保護電路的好方法是使用阻塞二極管。

二極管確保只有正確的電壓極性才能讓電流流入電路,保護它們免受負電壓的影響。

鉗位二極管

鉗位二極管只是一種使用電容器和二極管來控制信號直流電平的方法。在下面的示例電路中,電容器和二極管在輸入交流信號上產生直流偏移。

如果我們想向另一個方向進行 DC 偏移,那么我們只需反轉二極管的方向,如下所示。

如果你在二極管和地之間放置一個電壓源,你可以走得更遠,這樣你就可以在所需的方向上增加更多的直流偏置。

削波二極管

與鉗位相反的是剪輯。在這里,您可以使用串聯電阻器和二極管來截取輸入信號中不需要的部分。對于正向限幅,二極管的布置使其在信號高于正向電壓時導通,因此二極管傳導電流,將上限電壓限幅在 0.7 伏左右。下面可以看到一個例子。R2 只是一個示例電阻器,不是必需的。

在上面的示例中,請注意最大上電壓如何被限制在 0.7 伏特,這是二極管的正向電壓。

如果需要負削波,您可以簡單地翻轉二極管。在這種情況下,只要信號輸入為負值超過正向電壓,二極管就會導通并傳導電流,將負信號限制在 -0.7 伏特。下面是一個例子。同樣,不需要 R2。請注意信號的負部分如何被削波到 -0.7 伏。


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