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PN二极管的伏安特性详解

科技观察员 来源:bestengineeringprojects 作者:bestengineeringprojec 2024-05-05 14:46 次阅读

PN二极管中的电流I与结电压VV的关系由公式给出,

I = I_0 [e^{dfrac{V}{eta V_T}}-1]...........(1)

图1给出了PN二极管的典型伏安特性,如上式所示。在正向偏置时,正向电流基本保持为零,直到达到 t 二极管的所谓 Cutin 电压 V V 。该切入电压定义为正向电流小于二极管最大额定电流 1%的电压。该切入电压也称为导通电压或阈值电压。角质电压随半导体材料和制造方法而变化。通常,锗二极管的切入电压约为 0.2 伏,硅二极管约为 0.6伏。硅二极管中角值较高,主要是由于IO值较低。
1.png

从图1中我们观察到,在角切电压之外,正向电流随着正向电压的增加而迅速增加。在正向电压范围内,施加的电压远大于V T (0.026 K 时为 300 伏),因此在上面的等式中,我们可以忽略 1 与e^{dfrac{V}{eta V_T}}以下更简单的形式进行比较

I = I_0 e^{dfrac{V}{eta V_T}}.........(2)

反向偏置较小时,反向电流随反向偏置幅度的增加而增大。当反向偏置幅度超过数倍
VT 时,我们可能会忽略e^{dfrac{V}{eta V_T}}与 I 的比较,反向电流在值 IO 处变得稳定。随着反向电压的进一步增加,击穿发生,然后反向电流在反向电压 VZ 的几乎恒定值下突然增加。

温度取决于伏安特性

总反向饱和电流:

反向饱和电流I_{ot} = (I_0 + I_R)的总值或实测值,其中 I0 是反饱和电流的理论值,IR 是漏电反向电流分量。IR 与温度无关,而 I0 与温度密切相关。

I_0 = Aq[dfrac{D_p}{L_pN_D} + dfrac{D_n}{L_nN_A}]n_i^2.......(3)

该方程给出 I0 作为 D n 、Dp 和 n i ^2^ 的函数。但是 n i ^2^ 取决于温度,如下式所示

n_i^2 = A_O T^3 epsilon^{dfrac{-E_{GO}}{k_T}}........(4)

电压 VT 也与温度 T 成正比。此外,Dp 和 Dn 取决于温度 T.因此,对 Ge 和 Si 二极管都有效的 I0 的一般表达式是,

I_0 = k T^m e^{-dfrac{V_{G0}}{eta V_T}}..........(5)

其中 k 是常数,m 是材料的常数,qVG0 是以焦耳为单位的禁止能隙。实验发现,Ge 和 Si 二极管的反向饱和电流I_{ot} = (I_0 + I_R)以每摄氏度 7% 的速度增加。但是1.07^{10} approx 2.0.因此,我们得出结论,温度每升高 10^0^ C,总反向饱和电流就会增加一倍。

角质电压:

以下关系对 Ge 和 Si 二极管都有效,

dfrac{dV}{dT} = -2.5 dfrac{mV}{deg C}........(6)

因此,V 和 VV 随着温度的升高而降低,速率为 2.5 mV/deg C。虽然角极电压VV和总反饱和电流随温度变化,但二极管整体V-I特性的形状不随温度变化。

二极管电阻

静态二极管电阻 R

它是二极管电压与二极管电流之比。随着操作点的移动,它变化很大。它不构成二极管的有用参数

动态或增量二极管电阻 r

它被定义为,

r = dfrac{dV}{dI}..........(7)

因此,二极管的动态电阻是电流与电压特性斜率的倒数,是小信号操作的重要器件参数。然而,动态二极管电阻r随工作点而变化。

从,等式(1),

r = dfrac{dV}{dI} = dfrac{eta V_T}{I_0 e^{dfrac{V}{eta V_T}}} = dfrac{eta V_T}{1 + I_0}........(8)

对于大于零点几伏特的反向偏置,|dfrac{V}{eta V_T}|>>1并且为负。因此,e^{dfrac{V}{V_T}}极小的组合为统一,因此 r 非常大。

对于大于零点几伏的正向偏置,

|dfrac{V}{eta V_T}|>1根据等式(1),I>>I0。然后从等式(8)开始。

r approx dfrac{eta V_T}{I}.........(9)

公式(9)表明,对于正向偏置,r与电流I成反比。

在室温 (300 K) 下,VT = 0.026 伏。然后对于 eta = 1

r(ohms) = dfrac{26}{I(mA)}.......(10)

因此,对于I = 26 mA, r = 1Omega

例1:在100^0^C温度下工作的理想Ge二极管具有反饱和电流I_0 = 20 mu A。在 100^0^C 时,求出 0.1 伏偏置 (a) 正向和 (b)
反向偏置时二极管的动态电阻。

溶液:

在 100^0^C 时,t = 273 + 100 = 373^0^K,

因此V_T = dfrac{373}{11600} = 0.0321 volt

对于Ge,eta = 1

因此I = I_0(e^{dfrac{V}{V_T}}-1)

现在g = dfrac{1}{r} = dfrac{dI}{dV} = dfrac{I_{0(100)} e^{dfrac{V}{V_T}}}{V_T}

对于 0.1 伏的正向偏置,

因此r = dfrac{1}{g} = dfrac{1}{0.014} = 71.4 Omega

对于 0.1 V 的反向偏置,

g = dfrac{20 times 10^{-6}}{0.0321}e^{dfrac{-0.1}{0.0321}} = 24.9 times 10^{-6}S

因此r = dfrac{10^6}{24.9}Omega = 36 kOmega

二极管特性的分段线性近似

PN二极管特性的分段线性近似

对于大型单次操作,通常使用PN二极管V-I特性的分段线性表示就足够了。图 2
显示了分段线性近似。对于 V < V V ,电流以恒定斜率上升。在这个区域,二极管具有恒定的增量电阻r = dfrac{dI}{dV}。在这个正向偏置区域,该电阻 r 被指定为 R f ,称为正向电阻。

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