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二極管知識

作者:衡麗電子

1. 二極管是什麼?

二極管是具有一個PN結的半導體元件,具有單向導電性。

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2. 二極管的伏安特性

二極管兩端的電壓與通過它的電流的關系曲線,稱為二極管的伏安特性,其伏安特性與PN結的伏安特性是一緻的。

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2.1 伏安特性的正向部分

當二極管所加正向電壓較小時,由于外加電壓不足以克服PN結内電場對載流子運動的阻擋作用,二極管呈現的電阻較大,是以正向電流幾乎為0。與這一部分相對應的電壓叫死區電壓(也稱門坎電壓或門檻值電壓),死區電壓的大小與二極管材料及溫度等因素有關。

當正向電壓大于死區電壓時,二極管正向導通。導通後,随着正向電壓的升高,正向電流急劇增大,電壓與電流的關系基本上為一指數曲線。

下圖是仿真的二極管伏安特性正向部分。在二極管兩端施加正向電壓(VT1-VT2),在電壓小于0.7V時,流過二極管的電流ID=0A。在電壓大于0.7V之後,二極管電流開始增大。導通後二極管兩端的正向電壓稱為正向壓降。由圖可見,這個電壓穩定在700mv附近,幾乎不随流過二極管電流的大小而變化。

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二極管具有負的溫度系數,溫度升高時,二極管的正向壓降将減小。如下圖來自二極管spec,在同樣的正向電流IF下,二極管周圍環境溫度越高,正向壓降VF越小

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下圖是對二極管的正向電壓和正向電流,進行溫度仿真的結果。可以看到随着溫度的升高,二極管正向電壓越來越小,正向電流越來越大。

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2.21 伏安特性的反向部分

當二極管加上反向電壓時,加強了PN結内電場,隻有少數載流子在反向電壓作用下通過PN結,形成很小的反向電流。反向電壓增加但不超過某一數值時,反向電流很小且基本不變,此處的反向電流通常也稱為反向飽和電流,特性曲線圖中此段區域稱為反向截止區。反向電流是由少數載流子形成的,它會随溫度升高而增大,實際應用中,此值越小越好。如下圖是某肖特基二極管spec中的圖表。随着二極管周邊的溫度升高,反向電流IR越來越大。

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下圖是在二極管上施加反向電壓,反向漏電流随着溫度升高會增大。

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當反向電壓增大到超過某一個值時(特性曲線圖中的對應電壓稱為反向擊穿電壓,不同二極管的反向擊穿電壓不同),反向電流急劇增大,此時二極管失去了單向導電性,這種現象叫反向擊穿(屬于電擊穿)。反向擊穿後電流很大,電壓又很高,因而消耗在二極管上的功率很大,容易使PN結發熱而超過它的耗散功率,産生熱擊穿。在反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結容許的耗散功率這一前提下,兩種電擊穿過程是可逆的,反向電壓降低後,二極管可恢複其單向導電性;否則會因過熱而燒毀,此時擊穿過程就不可逆了,二極管就失效了。

3. 二極管的參數

  • 導通壓降VF(Forward voltage)

VF為二極管正向導通時二極管兩端的壓降,當通過二極管的電流越大,VF越大;當二極管溫度越高時,VF越小。

  • 額定電流IF(Forward continuous current)

指二極管長期運作時,根據允許溫升折算出來的平均電流值。

  • 最大反向峰值電壓VRM (Peak reverse voltage)

最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前肖特基最高的VRM值為150V。

  • 最大直流反向電壓VR(Reverse voltage)

VR是連續加直流電壓時的值。用于直流電路,最大直流反向電壓對于确定允許值和上限值是很重要的.VRM是反複加上的峰值電壓。

  • 反向飽和漏電流IR (Reverse leakage)

IR指在二極管兩端加入反向電壓時,流過二極管的電流,肖特基二極管反向漏電流較大,選擇肖特基二極管是盡量選擇IR較小的二極管。

  • 最大浪湧電流IFSM (Peak forward surge current)

允許流過的過量的正向電流。它不是正常電流,而是瞬間電流,這個值相當大。當溫度升高時,這個值會下降。随着通電周期的增加,二極管浪湧能力會減弱。

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  • 反向恢複時間Trr

當工作電壓從正向電壓變成反向電壓時,二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實際上,一般要延遲一點點時間。決定電流截止延時的量,就是反向恢複時間。雖然它直接影響二極管的開關速度,但不一定說這個值小就好。也即當二極管由導通突然反向時,反向電流由很大衰減到接近IR時所需要的時間。大功率開關管工作在高頻開關狀态時,此項名額至為重要。

  • 最大耗散功率Ptot

二極管中有電流流過,就會吸熱,而使自身溫度升高。在實際中外部散熱狀況對P也是影響很大。具體講就是加在二極管兩端的電壓乘以流過的電流加上反向恢複損耗。

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