1.2 二极管

第一章：常用半导体器件

1.2 半导体二极管

1.2.1 半导体二极管的几种常见结构

这里就不按照书上的哪几种结构了，我们看一下在 Mulisim 上的二极管符号：

不得不说 Mulisim 上的型号太多了，但是二极管的形状大体相似。

1.2.2 二极管的伏安特性

一、二极管和 P N 结伏安特性的区别

与P N结一样，二极管具有单向导电性。但是，由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于P N结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于P N结的电流；在大电流情况下，这种影响更为明显。另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电压时的反向电流增大。

由于书上这段话的介绍，我们可以了解到，反向电流
$$I_S之所以有一定的值，便是表面漏电流的存在$$
实测二极管的伏安特性时发现，只有在正向电压足够大时，正向电流才从零随端电压按指数规律增大。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压当二极管所加反向电压的数值足够大时，反向电流为[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传。反向电压太大将使二极管击穿，不同型号二极管的击穿电压差别很大，从几十伏到几千伏。

该表是对两种材质的二极管的数据的统计，可以看见与P N结基本相似。

二、温度对二极管伏安特性的影响

在环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。在室温附近，温度每升高1 ℃，正向压降减小2~2.5 m V;温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。可见，二极管的特性对温度很敏感。该特性在实际运用中有着重要意义，包括在后面三极管依旧有用。

1.2.3 二极管的主要参数

1. 最大整流电流二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与P N结面积及外部散热条件等有关。在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则将因结温升过高而烧坏。

2. 最高反向工作电压 是二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。通常为击穿电压的一半。

3. 反向电流是二极管未击穿时的反向电流。愈小，二极管的单向导电性愈好，对温度非常敏感。.

4. 最高工作频率 是二极管工作的上限截止频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。

应当指出，由于制造工艺所限，半导体器件参数具有分散性，同一型号管子的参数值也会有相当大的差距，因而手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或范围。此外，使用时应特别注意手册上每个参数的测试条件，当使用条件与测试条件不同时，参数也会发生变化。

1.2.4 二极管的等效电路

为了便于分析，常在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管的特性，并用之取代电路中的二极管。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，也称为二极管的等效模型。通常，人们通过两种方法建立模型，一种是根据器件物理原理建立等效电路，由于其电路参数与物理机理密切相关.因而适用范围大，但模型较复杂，适于计算机辅助分析;另一种是根据器件的外特性来构造等效电路，因而模型较简单，适于近似分析。根据二极管的伏安特性可以构造多种等效电路，对于不同的应用场合，不同的分析要求.(特别是误差要求)，应选用其中一种。

1. 由伏安特性折线化得到的等效电路

   

   图中粗实线为折线化的伏安特性，虚线表示实际伏安特性，下边为等效电路。

   图(a)所示的折线化伏安特性表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零，称为理想二极管，用空心的二极管符号来表示。

   图(b)所示的折线化伏安特性表明二极管导通时正向压降为一个常量,截止时反向电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源。【前情回顾：使二极管开始导通的临界电压称为开启电压。】

   图©所示的折线化伏安特性表明当二极管正向电压 U 大于后其电流 I 与 U 成线性关系，直线斜率为。 二极管截止时反向电流为零。因此等效电路是理想二极管串联电压源和电阻，且。

   接下来我们演示书上的实例：
   
   因为二极管导通电压的变化范围很小，所以多数情况下可以认为图所示电路中的二极管具有之前图(b)所示特性，对于硅管,可取;对于锗管，可取;因而回路电流电流

   为使计算出的回路电流 I 更接近实际情况，可以选择所示电路中的二极管具有之前图 ©所示的特性，此时回路电流

   在近似分析中，三个等效电路中以图(a)误差最大，图©误差最小，图(b)应用最为普遍。

   接下来我们用multisim来进行仿真看看：

我们把电路接好，比较简单，然后用三个探针来看一下我们需要的几个数据，可以看出：

完全符合公式。

2. 二极管的微变等效电路

   当二极管外加直流正向电压时，将有一直流电流，曲线上反映该电压和电流的点为Q点，如图(a)中所标注。若在Q点基础上外加微小的变化量，则可以用以Q点为切点的直线来近似微小变化时的曲线，如图(a)所示;即将二极管等效成一个动态电阻， 且, 如图(b)所示，称之为二极管的微变等效电路。利用二极管的电流方程可以求出。

于是我们进行公式推导，得到以下公式：

在微分时因为-1相对于整个公式太小，所以省去，所以后面跟着约等于符号。

1.2.5 稳压二极管

稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内(或者说在一定的功率损耗范围内)，端电压几乎不变，表现出稳压特性。因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。

1. 稳压二极管的伏安特性

图(a)是稳压二极管的伏安特性，我们通常用它反接，利用击穿后的伏安特性微小电压变化对应极大电流变化来实现稳压。图(b)是稳压二极管的图标。

2. 稳压二极管的主要参数

   1.稳定电压是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。由于半导体器件参数的分散性，同一型号的稳压管的存在一定差别。但就某一只管子而言， 应为确定值。

   2.稳定电流是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。

   3.额定功耗等于稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。稳压管的功耗超过此值时，会因结温升过高而损坏。对于只具体的稳压管，可以通过其的值，求出的值。
   只要不超过稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。

   4.动态电阻 是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比。愈小，电流变化时的变化愈小，即稳压管的稳压特性愈好。对于不同型号的管子，将不同，从几欧到几十欧。对于同一只管子，工作电流愈大， 愈小。

   5.温度系数α: α表示温度每变化1 C稳压值的变化量。稳定电压小于4 V的管子具有负温度系数(属于齐纳击穿)，即温度升高时稳定电压值下降;稳定电压大于7 V的管子具有正温度系数(属于雪崩击穿)，即温度升高时稳定电压值上升;而稳定电压在4~7 V之间的管子，温度系数非常小。近似为零(齐纳击穿和雪崩击穿均有)。【原因上一篇有提过哦】

接下来，我们继续用仿真来看一看：仿真中我们将原书上例题改成了滑动变阻器：

可以看出，当我们电阻变化之后，稳压管端电压恒定为4.5 V。

1.2.6 其他类型二极管

1. 发光二极管

2. 光电二极管

   这部分相较于其他的没有难度，所以就不总结了【太累了】

   不得不说之前原本用typora写的，导入后所有图都没了，重新一个一个手动又输
   回来，还丑了。一片要写起码三四个小时，之后看能不能两天写完一篇吧。emmmm