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二极管知识

作者:衡丽电子

1. 二极管是什么?

二极管是具有一个PN结的半导体元件,具有单向导电性。

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2. 二极管的伏安特性

二极管两端的电压与通过它的电流的关系曲线,称为二极管的伏安特性,其伏安特性与PN结的伏安特性是一致的。

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2.1 伏安特性的正向部分

当二极管所加正向电压较小时,由于外加电压不足以克服PN结内电场对载流子运动的阻挡作用,二极管呈现的电阻较大,因此正向电流几乎为0。与这一部分相对应的电压叫死区电压(也称门坎电压或阈值电压),死区电压的大小与二极管材料及温度等因素有关。

当正向电压大于死区电压时,二极管正向导通。导通后,随着正向电压的升高,正向电流急剧增大,电压与电流的关系基本上为一指数曲线。

下图是仿真的二极管伏安特性正向部分。在二极管两端施加正向电压(VT1-VT2),在电压小于0.7V时,流过二极管的电流ID=0A。在电压大于0.7V之后,二极管电流开始增大。导通后二极管两端的正向电压称为正向压降。由图可见,这个电压稳定在700mv附近,几乎不随流过二极管电流的大小而变化。

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二极管具有负的温度系数,温度升高时,二极管的正向压降将减小。如下图来自二极管spec,在同样的正向电流IF下,二极管周围环境温度越高,正向压降VF越小

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下图是对二极管的正向电压和正向电流,进行温度仿真的结果。可以看到随着温度的升高,二极管正向电压越来越小,正向电流越来越大。

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2.21 伏安特性的反向部分

当二极管加上反向电压时,加强了PN结内电场,只有少数载流子在反向电压作用下通过PN结,形成很小的反向电流。反向电压增加但不超过某一数值时,反向电流很小且基本不变,此处的反向电流通常也称为反向饱和电流,特性曲线图中此段区域称为反向截止区。反向电流是由少数载流子形成的,它会随温度升高而增大,实际应用中,此值越小越好。如下图是某肖特基二极管spec中的图表。随着二极管周边的温度升高,反向电流IR越来越大。

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下图是在二极管上施加反向电压,反向漏电流随着温度升高会增大。

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当反向电压增大到超过某一个值时(特性曲线图中的对应电压称为反向击穿电压,不同二极管的反向击穿电压不同),反向电流急剧增大,此时二极管失去了单向导电性,这种现象叫反向击穿(属于电击穿)。反向击穿后电流很大,电压又很高,因而消耗在二极管上的功率很大,容易使PN结发热而超过它的耗散功率,产生热击穿。在反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率这一前提下,两种电击穿过程是可逆的,反向电压降低后,二极管可恢复其单向导电性;否则会因过热而烧毁,此时击穿过程就不可逆了,二极管就失效了。

3. 二极管的参数

  • 导通压降VF(Forward voltage)

VF为二极管正向导通时二极管两端的压降,当通过二极管的电流越大,VF越大;当二极管温度越高时,VF越小。

  • 额定电流IF(Forward continuous current)

指二极管长期运行时,根据允许温升折算出来的平均电流值。

  • 最大反向峰值电压VRM (Peak reverse voltage)

最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前肖特基最高的VRM值为150V。

  • 最大直流反向电压VR(Reverse voltage)

VR是连续加直流电压时的值。用于直流电路,最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的.VRM是反复加上的峰值电压。

  • 反向饱和漏电流IR (Reverse leakage)

IR指在二极管两端加入反向电压时,流过二极管的电流,肖特基二极管反向漏电流较大,选择肖特基二极管是尽量选择IR较小的二极管。

  • 最大浪涌电流IFSM (Peak forward surge current)

允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流,而是瞬间电流,这个值相当大。当温度升高时,这个值会下降。随着通电周期的增加,二极管浪涌能力会减弱。

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  • 反向恢复时间Trr

当工作电压从正向电压变成反向电压时,二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上,一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量,就是反向恢复时间。虽然它直接影响二极管的开关速度,但不一定说这个值小就好。也即当二极管由导通突然反向时,反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时,此项指标至为重要。

  • 最大耗散功率Ptot

二极管中有电流流过,就会吸热,而使自身温度升高。在实际中外部散热状况对P也是影响很大。具体讲就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流加上反向恢复损耗。

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