二極管的作用-二極管的作用、工作原理、特性、開關(guān)過程詳解

二極管概述

二極管的作用，二極管，電子元件當(dāng)中，一種具有兩個(gè)電極的裝置，只允許電流由單一方向流過，許多的使用是應(yīng)用其整流的功能。而變?nèi)荻O管（Varicap Diode）則用來當(dāng)作電子式的可調(diào)電容器。大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流（Rectifying）”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過（稱為順向偏壓），反向時(shí)阻斷 （稱為逆向偏壓）。因此，二極管可以想成電子版的逆止閥。

早期的真空電子二極管；它是一種能夠單向傳導(dǎo)電流的電子器件。在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個(gè)PN結(jié)兩個(gè)引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的傳導(dǎo)性。一般來講，晶體二極管是一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體燒結(jié)形成的p-n結(jié)界面。在其界

面的兩側(cè)形成空間電荷層，構(gòu)成自建電場。當(dāng)外加電壓等于零時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子的濃度差引起擴(kuò)散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。

早期的二極管包含“貓須晶體（"Cat's Whisker" Crystals）”以及真空管(英國稱為“熱游離閥（Thermionic Valves）”)。現(xiàn)今最普遍的二極管大多是使用半導(dǎo)體材料如硅或鍺。

二極管的工作原理

晶體二極管為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。

當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。

當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。

二極管的作用

二極管的作用具體情況如下：

1、整流二極管

利用二極管單向?qū)щ娦?，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動(dòng)直流電。

2、開關(guān)元件

二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。利用二極管的開關(guān)特性，可以組成各種邏輯電路。

3、限幅元件

二極管正向?qū)ê?，它的正向壓降基本保持不變（硅管?.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號(hào)幅度限制在一定范圍內(nèi)。

4、繼流二極管

在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起繼流作用。

5、檢波二極管

在收音機(jī)中起檢波作用。

6、變?nèi)荻O管

使用于電視機(jī)的高頻頭中。

續(xù)流二極管的作用與特性

續(xù)流二極管的作用如下：快恢復(fù)二極管主要用作續(xù)流二極管，與快速開關(guān)三極管并聯(lián)后面帶感性負(fù)載，如Buck，Boost變換器的電感、變壓器和電機(jī)，這些電路大部分是用恒脈脈寬調(diào)制控制，感性負(fù)載決定了流過續(xù)流二極管的電流是連續(xù)的，三極管開通時(shí)，續(xù)流支路要截止以防短路，下面例子給出了三極管與續(xù)流二極管的相互作用。

圖1是簡化的Buck電路。其輸出電壓Vout低于輸入電壓Vin。圖2是T1的控制信號(hào)和T1，D1的電壓、電流波形。有源器件T1，D1的開通關(guān)斷相位如下：

T0時(shí)刻T1有開通信號(hào)。輸入電壓Vin加在L，Cout的串聯(lián)支路，使iL線性增加。電感L和Vout決定電流，過一段時(shí)間后控制器使T1關(guān)斷，在斷續(xù)工作時(shí)，電感L儲(chǔ)能(W=0.5LiL2)通過續(xù)流支路傳送到Cout。在t2時(shí)刻T1再次開通，整個(gè)過程重復(fù)。

二極管的開關(guān)過程可分為四部分:

A.T1導(dǎo)通時(shí)二極管阻斷;

B.阻斷到導(dǎo)通時(shí)間；開通；

C.T1關(guān)斷，二極管導(dǎo)通；

D.導(dǎo)通到關(guān)斷瞬間；關(guān)斷。

A. 阻斷

MOFET導(dǎo)通時(shí)，二極管兩端的反壓是Vin。與所有的半導(dǎo)體一樣，二極管的陽極到陰極有一個(gè)小電流(耐電流IR)，漏電流由阻斷電壓，二極管芯片工作溫度和二極管制作技術(shù)決定。反向電壓導(dǎo)致的總功率損耗是：

PSP=VIN·IR

B. 開通

三極管T1關(guān)斷瞬間，電感電流iL保持不變。二極管兩端電壓逐漸減小，電流逐漸上升。D1的電流上升時(shí)間等于T1的電流下降時(shí)間。關(guān)斷時(shí)在pn結(jié)存儲(chǔ)的大量電荷被載流子帶走，使得電流上升時(shí)pn結(jié)的電阻減小，二極管開通時(shí)有電壓尖峰，由芯片溫度、-diF/dt和芯片工藝決定。

正向電壓尖峰與反向電壓相比很小(<50V)，應(yīng)用時(shí)不影響二極管的工作(圖7中的D1波形)。但是二極管的開通電壓尖峰增加了三極管的電壓應(yīng)力和關(guān)斷損耗。

電壓尖峰VFR決定了二極管的開通捌耗。這些損耗隨開關(guān)頻率線性增加。

C. 通態(tài)

一且開通過程結(jié)束。二極管導(dǎo)通正向電流lF，pn結(jié)的門限電壓和半導(dǎo)體的電阻決定正向壓降VF。這個(gè)電壓由芯片溫度、正向電流IF和制造工藝決定。

利用數(shù)據(jù)手冊中的VTO和rT可以計(jì)算正向壓降和通態(tài)損耗。

圖3所示正向壓降的簡化模型是：

VF=rT·IF+VTO

相應(yīng)的通態(tài)損耗是：

計(jì)算出來的損耗只是近似值，因?yàn)閂TO和rT隨溫度變化，而給出的只是在一定溫度下(TVJM的參考值。

D. 關(guān)斷

與通態(tài)特性不同，高頻應(yīng)用時(shí)二極管的選擇是否合適主要取決于關(guān)斷特性的參數(shù)，三極管開通時(shí)，電流IF的變化率等于三極管電流上升率di/dt。如果使用MOSFET或IGBT，其-diF/dt很容易超過1000A/μs。前面提到，二極管恢復(fù)阻斷能力前必須去除通態(tài)時(shí)存儲(chǔ)在pn結(jié)的載流子。這就會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，其波形取決于芯片溫度、正向電流IF，-diF/dt和制造工藝。

圖4是正向特性相同的金摻雜和鉑摻雜外延型二極管不同溫度下的反向恢復(fù)電流。

相同溫度下不同制造工藝的二極管的反向恢復(fù)特性明顯不同。

鉑摻雜二極管反向恢復(fù)電流的減小速度很快(圖5(b))，可控少數(shù)載流子的金摻雜二極管的恢復(fù)特性較軟(圖5(a))。

恢復(fù)電流減小得很快，線路中分布電感導(dǎo)致的電壓尖峰越高。如果最大電壓超過三極管的耐壓值，就必須使用吸收電路以保障設(shè)備的安全工作。而且過高的du/dt會(huì)導(dǎo)致EMI/RFI問題，在RFI受限的地方要使用復(fù)雜的屏蔽。

二極管的反向恢復(fù)電流不僅會(huì)增加二極管的關(guān)斷損耗。還會(huì)增加三極管的開通損耗，因?yàn)樗彩嵌O管的反向電流。圖6(a)和(b)表明三極管開通電流是電感電流加上二極管的反向恢復(fù)電流，而且開通時(shí)間受trr影響會(huì)增大。

圖6(a)和(b)重點(diǎn)說明軟恢復(fù)特性時(shí)低恢復(fù)電流的好處。首先，軟恢復(fù)特性的金摻雜二極管的電壓尖峰較小和反向恢復(fù)電流較小。因此二極管有低關(guān)斷損耗。其次，低反向恢復(fù)電流可減小三極管的開通損耗。因此，二極管的選擇直接決定了兩個(gè)器件的功率損耗。

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