二極管和整流器簡介

二極管和整流器簡介 

二極管是一種電子設備，它允許電流在一個方向上比在另一個方向上更容易地通過它?，F(xiàn)代電路設計中最常見的二極管類型是半導體二極管，盡管存在其他二極管技術。半導體二極管在示意圖中用符號表示，如下圖所示。術語“二極管”通常用于小信號設備，I ≤ 1 A。術語整流器用于功率設備，I > 1 A。

半導體二極管原理圖符號：箭頭表示電流流向

       當放置在簡單的電池燈電路中時，二極管將允許或阻止電流通過燈，具體取決于所施加電壓的極性。（下圖）

二極管操作： (a) 允許電流流動；二極管正向偏置。(b) 禁止電流流動；二極管反向偏置

當電池的極性允許電流流過二極管時，稱二極管為正向偏置。相反，當電池“反向”并且二極管阻斷電流時，二極管被稱為反向偏置。二極管可以被認為是一個開關：正向偏置時“閉合”，反向偏置時“打開”。

二極管符號“箭頭”的方向指向常規(guī)流動中的電流方向。該約定適用于所有在其原理圖中具有“箭頭”的半導體。使用電子流時則相反，電流方向與“箭頭”相反。

液壓止回閥類比

二極管的行為類似于稱為止回閥的液壓裝置的行為。止回閥僅允許流體沿一個方向流過，如下圖所示。

液壓止回閥類比： (a) 允許的電流流量。(b) 禁止電流流動。

       止回閥本質(zhì)上是壓力操作裝置：如果通過它們的壓力具有正確的“極性”以打開閘門，它們就會打開并允許流動（在所示的類比中，右側(cè)的流體壓力大于左側(cè)的流體壓力）。如果壓力具有相反的“極性”，則止回閥兩端的壓力差將關閉并保持閘門，從而不會發(fā)生流動。

與止回閥一樣，二極管本質(zhì)上是“壓力”操作（電壓操作）設備。正向偏置和反向偏置之間的本質(zhì)區(qū)別在于二極管兩端電壓降的極性。讓我們仔細看看前面顯示的簡單電池二極管燈電路，這次研究下圖中各個組件的電壓降。

二極管電路電壓測量： (a) 正向偏置。(b) 反向偏置。

       正向偏置二極管配置

一個正向偏置的二極管傳導電流并在其兩端下降一個小電壓，使大部分電池電壓下降到燈上。如果電池的極性接反，二極管就會反向偏置，并且會降低電池的所有電壓，而不會為燈留下任何電壓。如果我們認為二極管是一個自驅(qū)動開關（在正向偏置模式下閉合，在反向偏置模式下打開），這種行為是有道理的。最顯著的區(qū)別是二極管在導通時比普通機械開關下降更多的電壓（0.7 伏對數(shù)十毫伏）。

二極管表現(xiàn)出的這種正向偏置電壓降是由于PN結(jié)在施加電壓的影響下形成的耗盡區(qū)的作用。如果在半導體二極管上沒有施加電壓，則在 PN 結(jié)區(qū)域周圍存在薄耗盡區(qū)，從而阻止電流流動。（下圖（a））耗盡區(qū)幾乎沒有可用的電荷載流子，并充當絕緣體：

二極管表示：PN結(jié)模型、原理圖符號、物理部分。

       二極管的示意圖符號如上圖（b）所示，陽極（指向端）對應于（a）處的 P 型半導體。(b) 處的非指向端陰極棒對應于 (a) 處的 N 型材料。另請注意，物理部分 (c) 上的陰極條紋對應于符號上的陰極。

反向偏置二極管配置

如果在 PN 結(jié)上施加反向偏置電壓，則該耗盡區(qū)會擴大，從而進一步抵抗通過它的任何電流。（下圖）

耗盡區(qū)隨著反向偏壓而擴大

       正向電壓

相反，如果在 PN 結(jié)上施加正向偏置電壓，則耗盡區(qū)會塌陷變得更薄。二極管對通過它的電流的電阻變小。為了讓持續(xù)的電流通過二極管；但是，耗盡區(qū)必須被施加的電壓完全塌陷。這需要一定的最小電壓才能完成，稱為正向電壓，如下圖所示。

從 (a) 到 (b) 增加正向偏置會減小耗盡區(qū)的厚度

       對于硅二極管，典型的正向電壓為 0.7 伏（標稱值）。對于鍺二極管，正向電壓僅為0.3伏。構(gòu)成二極管的PN 結(jié)的化學成分決定了其標稱正向電壓值，這就是硅和鍺二極管具有如此不同正向電壓的原因。對于大范圍的二極管電流，正向壓降保持大致恒定，這意味著二極管壓降不像電阻器甚至正常（閉合）開關。對于大多數(shù)簡化的電路分析，導電二極管上的電壓降可能被認為是在標稱值上恒定的，并且與電流量無關。

       二極管方程

實際上，正向壓降更為復雜。一個方程描述了通過二極管的確切電流，給定了結(jié)上的電壓降、結(jié)的溫度和幾個物理常數(shù)。它通常被稱為二極管方程：

二極管方程

       術語 kT/q 描述了由于溫度作用在 PN 結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的電壓，稱為結(jié)的熱電壓或 Vt。在室溫下，這約為 26 毫伏。知道這一點，并假設“非理想”系數(shù)為 1，我們可以簡化二極管方程并將其重寫為：

二極管簡化方程

       你無需熟悉“二極管方程”即可分析簡單的二極管電路。只需了解通過電流傳導二極管的電壓降確實會隨著流過它的電流量而變化，但這種變化在很寬的電流范圍內(nèi)相當小。這就是為什么許多教科書簡單地說導電半導體二極管上的電壓降保持不變，硅為 0.7 伏，鍺為 0.3 伏。

然而，一些電路有意利用了 PN 結(jié)固有的指數(shù)電流/電壓關系，因此只能在這個等式的上下文中理解。此外，由于溫度是二極管方程中的一個因素，因此正向偏置的 PN 結(jié)也可以用作溫度傳感裝置，因此只有在概念上掌握這種數(shù)學關系才能理解。

反向偏置操作

由于擴展的耗盡區(qū)，反向偏置二極管可防止電流通過它。實際上，非常少量的電流可以并且確實會通過反向偏置二極管，稱為漏電流，但在大多數(shù)情況下可以忽略不計。

二極管承受反向偏壓的能力是有限的，就像任何絕緣體一樣。如果施加的反向偏置電壓變得太大，二極管將經(jīng)歷一種稱為擊穿的情況（下圖），這通常是破壞性的。

二極管的最大反向偏置電壓額定值稱為峰值反向電壓或PIV，可從制造商處獲得。與正向電壓一樣，二極管的 PIV 額定值隨溫度而變化，除了 PIV隨溫度升高而增加，而隨著二極管變冷而降低——這與正向電壓正好相反。

二極管曲線：顯示 Si 正向偏置 0.7 V 時的拐點，以及反向擊穿

通常，通用“整流器”二極管的 PIV 額定值在室溫下至少為 50 伏。PIV 額定電壓為數(shù)千伏的二極管價格適中。

檢查：

二極管是一種電氣元件，用作電流的單向閥。

當電壓以二極管允許電流的方式施加在二極管上時，二極管被稱為正向偏置。

當電壓以二極管禁止電流的方式施加在二極管上時，該二極管被稱為反向偏置。

導通的正向偏置二極管上的壓降稱為正向電壓。二極管的正向電壓僅會隨著正向電流和溫度的變化而略有變化，并且由 PN 結(jié)的化學成分決定。

硅二極管的正向電壓約為 0.7V。

鍺二極管的正向電壓約為 0.3V。

二極管在不“擊穿”的情況下可以承受的最大反向偏置電壓稱為峰值反向電壓或PIV額定值。

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