深入解剖半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

　　由于二極管的伏安特性是非線(xiàn)性的，為了分析計(jì)算方便，在特定的條件下，我們可以將其線(xiàn)性化處理，視為理想元件。

　　1.理想二極管等效電路

　　在電路中，若二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)元件的電壓，二極管截止時(shí)反向電流遠(yuǎn)小于與之并聯(lián)元件的電流，那么可以忽略管子的正向壓降和反向電流把二極管理想化為一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)外加正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，正向壓降為0，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管截止，反向電流為0，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，理想二極管的等效電路如圖4-4。利用理想二極管表示實(shí)際二極管進(jìn)行電路的分析和計(jì)算可以得出比較滿(mǎn)意的結(jié)果，但稍有一些誤差。

　　2.二極管應(yīng)用電路舉例

　　二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。下面介紹幾種應(yīng)用電路。

　　(1) 限幅電路：限幅器的功能就是限制輸出電壓的幅度。

　　例4-1　圖4-5(a)就是利用二極管作為正向限幅器的電路圖。已知vi = Vmsinωt，且Vm>VS　，試分析工作原理，并作出輸出電壓vo的波形。

　　解：a) 二極管導(dǎo)通的條件是vi>VS，由于D為理想二極管，D一旦導(dǎo)通，管壓降為零，此時(shí)vo = VS

　　b) 當(dāng)vi≤VS時(shí)，二極管截止，該支路斷開(kāi)，R中無(wú)電流，其壓降為0。 所以vo =vi

　　c) 根據(jù)以上分析，可作出vo的波形，如圖4-5(b)所示，由圖可見(jiàn)，輸出電壓的正向幅度被限制在VS值。

　　注意：作圖時(shí)，vo和vi的波形在時(shí)間軸上要對(duì)應(yīng)，這樣才能正確反映vo的變化過(guò)程。

　　(2) 二極管門(mén)電路

　　門(mén)電路是一種邏輯電路，在輸入信號(hào)(條件)和輸出信號(hào)(結(jié)果)之間存在著一定的因果關(guān)系即邏輯關(guān)系。在邏輯電路中，通常用符號(hào)0和1來(lái)表示兩種對(duì)立的邏輯狀態(tài)。用1表示高電平，用0表示低電平，稱(chēng)為正邏輯，反之為負(fù)邏輯。

　　基本的邏輯關(guān)系有三種：與邏輯、或邏輯、非邏輯。與此相對(duì)應(yīng)的門(mén)電路就有與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)。由這三種基本門(mén)電路可以組成其他多種復(fù)合門(mén)電路。

　　例4-2 圖 4-6所示為最簡(jiǎn)單的與門(mén)電路及邏輯圖符號(hào)。它是由二極管D1、D2和電阻R及電源VCC組成。圖中A、B為兩個(gè)輸入端，F(xiàn)為輸出端。設(shè)VCC=5V，A、B輸入端的高電平(邏輯1)為3V，低電平(邏輯0)為0V， 并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航怠Ｔ嚪治鲭娐返妮斎肱c輸出之間的關(guān)系。

　　解：(1)當(dāng)輸入端A、B均為低電平0時(shí)，即VA = VB = 0V時(shí)，二極管D1、D2均為正向偏置而導(dǎo)通，使輸出端F的電壓VF = 0V，即輸出端F為低電平0。

　　(2)當(dāng)輸入端A為低電平0，B為高電平1，即VA = 0V，VB = 3V時(shí)，D1陰極電位低于D2陰極電位，D1導(dǎo)通，使VF = 0V，因而D2為反向偏置而截止，輸出端F為低電平0。

　　(3)當(dāng)輸入端A為高電平1，B為低電平0，即VA = 3V，VB = 0V時(shí)，D1、D2的工作情況與(2)相反，輸出端F仍為低電平0。

　　(4)當(dāng)輸入端A、B均為高電平1時(shí)，即VA = VB = 3V時(shí)，D1、D2均為正向偏置而導(dǎo)通，使輸出端F的電壓VF = 3V，即輸出端F為高電平1。

　　從上述分析可知，只有當(dāng)所有輸入端都是高電平1時(shí)，輸出端才是高電平1，否則輸出端均為低電平0。這種“只有當(dāng)決定一事件結(jié)果的所有條件都滿(mǎn)足時(shí)，結(jié)果才發(fā)生”的邏輯關(guān)系稱(chēng)為與(And)邏輯，與門(mén)電路滿(mǎn)足與邏輯關(guān)系。與邏輯也稱(chēng)為邏輯乘、與運(yùn)算。通常用符號(hào)“· ”表示，設(shè)A、B、F分別為邏輯變量，則與運(yùn)算的表達(dá)式可寫(xiě)成以下形式：

　　F=A·B 或 F=AB

　　上式讀作F等于A與B。邏輯與的含義是：只有輸入變量A、B都為1 時(shí)，輸出變量F才為1;只要A、B中有一個(gè)為0，F(xiàn)便為0。換言之，也就是“有0出0，全1出1”。這一結(jié)論也適合于有多個(gè)變量參加的與運(yùn)算。

　　表4-1列出了圖4-6所示電路輸入與輸出邏輯電平的關(guān)系。但在邏輯電路分析中，通常用邏輯0、1來(lái)描述輸入與輸出之間的關(guān)系，所列出的表稱(chēng)為真值表(即邏輯狀態(tài)表)。上述與門(mén)的真值表如表4-2所示。

　　另外，圖4-7給出了或門(mén)電路及邏輯圖符號(hào)。它也是由二極管和電阻組成的。圖中A、B是兩個(gè)輸入端，F(xiàn)是輸出端。設(shè)A、B輸入端的高電平(邏輯1)為3V，低電平(邏輯0)為0V， 并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航怠Ｍㄟ^(guò)分析(詳細(xì)過(guò)程讀者可以自己分析)可知，只要A 、B當(dāng)中有一個(gè)是高電平(邏輯1)輸出就是高電平(邏輯1)。只有當(dāng)A、 B同時(shí)為低電平(邏輯0)時(shí)，輸出才是低電平(邏輯0)。這種“在決定一事件結(jié)果的所有條件中，只要有一個(gè)或一個(gè)以上滿(mǎn)足時(shí)結(jié)果就發(fā)生”的邏輯關(guān)系稱(chēng)或(Or)邏輯?；蜷T(mén)電路滿(mǎn)足或邏輯關(guān)系。

　　或邏輯也稱(chēng)為邏輯加、或運(yùn)算。通常用符號(hào)“+”來(lái)表示，設(shè)A、B、F分別為邏輯變量，則或運(yùn)算的表達(dá)式可寫(xiě)成以下形式：

　　F=A+B

　　上式讀作F等于A或B。邏輯或的含義是：只有輸入變量A、B中有一個(gè)或一個(gè)以上為1， 輸出變量F就為1;反之，只有A、B全為0時(shí)，F(xiàn)才為0。換言之，也就是“有1出1，全0出0”。這一結(jié)論也適合于有多個(gè)變量參加的或運(yùn)算

　　表4-3列出了圖4-7所示電路輸入與輸出邏輯電平的關(guān)系。表4-4為上述或門(mén)的真值表。

　　4.2　特殊二極管

　　除了上述普通二極管外，還有一些特殊二極管，如穩(wěn)壓二極管、光電二極管、發(fā)光二極管等，分別介紹如下。

　　4.2.1 穩(wěn)壓管

　　穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。圖4-8(a)為穩(wěn)壓管在電路中的正確聯(lián)接方法;圖(b)和圖(c)為穩(wěn)壓管的伏安特性及圖形符號(hào)。穩(wěn)壓管與普通二極管的主要區(qū)別在于，穩(wěn)壓管是工作在PN結(jié)的反向擊穿狀態(tài)。通過(guò)在制造過(guò)程中的工藝措施和使用時(shí)限制反向電流的大小，能保證穩(wěn)壓管在反向擊穿狀態(tài)下不會(huì)因過(guò)熱而損壞。從穩(wěn)壓管的反向特性曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)反向電壓較小時(shí)，反向電流幾乎為零，當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓Vz(也是穩(wěn)壓管的工作電壓)時(shí)，反向電流Iz(穩(wěn)壓管的工作電流)會(huì)急劇增加，穩(wěn)壓管反向擊穿。在特性曲線(xiàn)ab段，當(dāng)Iz在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓Vz基本不變，具有恒壓特性，利用這一特性可以起到穩(wěn)定電壓的作用。

　　穩(wěn)壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的，只要不超過(guò)穩(wěn)壓管的允許值，PN結(jié)就不會(huì)過(guò)熱損壞，當(dāng)外加反向電壓去除后，穩(wěn)壓管恢復(fù)原性能，所以穩(wěn)壓管具有良好的重復(fù)擊穿特性。

　　穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有：

　　1.穩(wěn)定電壓VZ。穩(wěn)定電壓VZ指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)，管子兩端的電壓，由于制造工藝的原因，穩(wěn)壓值也有一定的分散性，如2CW14型穩(wěn)壓值為6.0～7.5V。

　　2.動(dòng)態(tài)電阻rz。動(dòng)態(tài)電阻是指穩(wěn)壓管在正常工作范圍內(nèi)，端電壓的變化量與相應(yīng)電流的變化量的比值。

　　穩(wěn)壓管的反向特性愈陡，rZ愈小，穩(wěn)壓性能就愈好

　　3. 穩(wěn)定電流IZ。穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流值，只有I≥IZ，才能保證穩(wěn)壓管有較好的穩(wěn)壓性能。

　　4.最大穩(wěn)定電流IZmax 。允許通過(guò)的最大反向電流，I > IZmax管子會(huì)因過(guò)熱而損壞。

　　5. 最大允許功耗PZM。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PZM =VZ IZmax

　　6.電壓溫度系數(shù)αV。溫度變化10C時(shí)，穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?shù)定義為電壓溫度系數(shù)。電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好，通常硅穩(wěn)壓管在VZ低于4V時(shí)具有負(fù)溫度系數(shù),高于6V時(shí)具有正溫度系數(shù), VZ在4～6V之間，溫度系數(shù)很小。

　　穩(wěn)壓管正常工作的條件有兩條，一是工作在反向擊穿狀態(tài),二是穩(wěn)壓管中的電流要在穩(wěn)定電流和最大允許電流之間。當(dāng)穩(wěn)壓管正偏時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)普通二極管。圖4-8(a)為最常用的穩(wěn)壓電路，當(dāng)Vi或RL變化時(shí)，穩(wěn)壓管中的電流發(fā)生變化，但在一定范圍內(nèi)其端電壓變化很小，因此起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。(該電路分析見(jiàn)4.4節(jié))

　　4.2.2 光電二極管

　　光電二極管又稱(chēng)光敏二極管。它的管殼上備有一個(gè)玻璃窗口，以便于接受光照。其特點(diǎn)是，當(dāng)光線(xiàn)照射于它的PN結(jié)時(shí)，可以成對(duì)地產(chǎn)生自由電子和空穴，使半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的濃度提高。這些載流子在一定的反向偏置電壓作用下可以產(chǎn)生漂移電流，使反向電流增加。因此它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而線(xiàn)性增加，這時(shí)光電二極管等效于一個(gè)恒流源。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光電二極管的伏安特性與普通二極管一樣。光電二極管的等效電路如圖4-9(a)所示，圖4-9(b)為光電二極管的符號(hào)。

　　暗電流：無(wú)光照時(shí)的反向飽和電流。一般1μA。

　　光電流：指在額定照度下的反向電流，一般為幾十毫安。

　　靈敏度：指在給定波長(zhǎng)(如0.9μm)的單位光功率時(shí)，光電二極管產(chǎn)生的光電流。一般≥0.5μA/μW。

　　峰值波長(zhǎng)：使光電二極管具有最高響應(yīng)靈敏度(光電流最大)的光波長(zhǎng)。一般光電二極管的峰值波長(zhǎng)在可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)范圍內(nèi)。

　　響應(yīng)時(shí)間：指加定量光照后，光電流達(dá)到穩(wěn)定值的63%所需要的時(shí)間，一般為10-7S。

　　光電二極管作為光控元件可用于各種物體檢測(cè)、光電控制、自動(dòng)報(bào)警等方面。當(dāng)制成大面積的光電二極管時(shí)，可當(dāng)作一種能源而稱(chēng)為光電池。此時(shí)它不需要外加電源，能夠直接把光能變成電能。