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(shè)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。現(xiàn)代電路設(shè)計中最常見的二極管類型是半導(dǎo)體二極管，盡管存在其他二極管技術(shù)。半導(dǎo)體二極管在示意圖中用符號表示，如下圖所示。術(shù)語“二極管”通常用于小信號設(shè)備，I ≤ 1 A。術(shù)語整流器用于功率設(shè)備，I > 1 A。

半導(dǎo)體二極管原理圖符號：箭頭表示電流流向

       當(dāng)放置在簡單的電池?zé)綦娐分袝r，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(dāng)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(dāng)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(rèn)為是一個開關(guān)：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(dǎo)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(guān)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(shè)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(xì)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(dǎo)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(rèn)為二極管是一個自驅(qū)動開關(guān)（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(dǎo)通時比普通機(jī)械開關(guān)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(dǎo)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(dāng)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(yīng)于（a）處的 P 型半導(dǎo)體。(b) 處的非指向端陰極棒對應(yīng)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(yīng)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(kuò)大，從而進(jìn)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(kuò)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(biāo)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(xué)成分決定了其標(biāo)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(guān)。對于大多數(shù)簡化的電路分析，導(dǎo)電二極管上的電壓降可能被認(rèn)為是在標(biāo)稱值上恒定的，并且與電流量無關(guān)。

       二極管方程

實(shí)際上，正向壓降更為復(fù)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(shù)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(diǎn)，并假設(shè)“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(dǎo)二極管的電壓降確實(shí)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(dāng)小。這就是為什么許多教科書簡單地說導(dǎo)電半導(dǎo)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(guān)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(xué)關(guān)系才能理解。

反向偏置操作

由于擴(kuò)展的耗盡區(qū)，反向偏置二極管可防止電流通過它。實(shí)際上，非常少量的電流可以并且確實(shí)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(diǎn)，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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(xué)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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