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在界面两侧形成空间电荷层,并建立自建电场(电场是存在于电荷周围空间的一种)

时间:2023-03-06 作者:admin666ss 点击:48次

二极管的作用-二极管的作用、工作原理、特性、开关过程详情

二极管概述

二极管的作用 在界面两侧形成空间电荷层,并建立自建电场(电场是存在于电荷周围空间的一种) 热门话题

早期真空电子二极管;它是一种可以单向传导电流的电子设备。半导体二极管内部有一个PN结和两个引线端子。该电子器件根据施加电压的方向具有单向电流传导率。一般来说,晶体二极管是通过烧结p型半导体和n型半导体形成的p-n结界面。在其边界中

在表面的两侧形成空间电荷层以形成自建电场。当施加的电压等于零时,p-n结两侧载流子浓度差引起的扩散电流等于自建电场引起的漂移电流,这也是正常条件下二极管的特性。

二极管的工作原理

晶体二极管是由p型半导体和n型半导体形成的p-n结。在界面两侧形成空间电荷层,并建立自建电场。当没有施加电压时,p-n结两侧载流子浓度差引起的扩散电流等于自建电场引起的漂移电流,并且处于电平衡状态。

当存在来自外部的正向电压偏置时,外部电场和自建电场的相互抑制会增加载流子的扩散电流并导致正向电流。

当存在来自外部的反向电压偏置时,外部电场和自建电场进一步增强,以在一定反向电压范围内形成与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当施加的反向电压高到一定程度时,p-n结的空间电荷层中的电场强度达到临界值,从而产生载流子的倍增过程,产生大量的电子-空穴对,并产生大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。

二极管的功能

二极管的具体功能如下:

1 整流二极管

利用二极管的单向导电性,交流电可以转换为单向脉动直流电。

2 开关元件

二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于导通开关;在反向电压的作用下,电阻很大,并且处于断开状态,就像断开开关一样。利用二极管的开关特性,可以形成各种逻辑电路。

3 限制元件

二极管正向导通后,其正向压降基本保持不变。利用该特性,作为电路中的限制元件,可以将信号幅度限制在一定范围内。

4继电器二极管

它在开关电源的电感和继电器等电感负载中起继电器作用。

5 探测二极管

它在无线电中起着探测作用。

6变容二极管

用于电视调谐器。

续流二极管的功能和特性

续流二极管的功能如下:快速恢复二极管主要用作续流二极管,与快速开关三极管并联,然后是电感负载,如降压和升压转换器的电感变压器和电机。这些电路大多由恒定脉宽调制控制。电感负载确定流过续流二极管的电流是连续的。当三极管打开时,应切断续流分支以防止短路,以下示例显示三极管和续流二极管之间的相互作用。

图1是简化的降压电路。其输出电压Vout低于输入电压Vin。图2显示了T1的控制信号以及T1和D1的电压和电流波形。有源器件T1和D1通断相位如下:

在t0的时间T1有一个接通信号。输入电压Vin被施加到L和cout的串联支路,以线性增加IL。电感L和Vout确定电流。一段时间后,控制器关闭T1。在间歇操作期间,电感L存储的能量通过续流分支传输到cout。在时间T2再次接通,并重复整个过程。

二极管的开关过程可分为四个部分:

A、 当T1接通时,二极管被阻断;

B、 阻塞到准时;开放

C、 T1断开,二极管接通;

D、 打开以关闭;关

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A、 阻止

当mofet接通时,二极管两端的反向电压为Vin。像所有半导体一样,二极管的阳极到阴极之间有一个小电流。漏电流由阻断电压、二极管芯片的工作温度和二极管制造技术决定。反向电压造成的总功率损耗为:

PSP=VIN·IR

B、 打开

当晶体管T1截止时,电感电流IL保持不变。二极管两端的电压逐渐降低,电流逐渐增加。D1的电流上升时间等于T1的电流下降时间。当二极管关断时,存储在PN结中的大量电荷被载流子带走,因此,当电流上升时,PN结的电阻减小,当二极管打开时,会出现电压尖峰,这由芯片温度-dif/dt和芯片工艺决定。

正向电压尖峰与反向电压相比非常小,并且在应用期间不影响二极管的操作。但是二极管的导通电压尖峰增加了晶体管的电压应力和关断损耗。

电压尖峰VFR确定二极管的开关损耗。这些损耗随着开关频率线性增加。

C、 On状态

并且打开过程结束。二极管传导正向电流LF,PN结的阈值电压和半导体的电阻决定正向压降VF。该电压由芯片温度、正向电流if和制造工艺确定。

正向电压降和导通状态损耗可以通过使用数据手册中的VTO和RT来计算。

图3所示的前向压降简化模型为:

VF=rT·IF+VTO

相应的接通状态损耗为:

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计算的损耗只是一个近似值,因为VTO和RT随温度变化,给定值只是特定温度下tvjm的参考值。

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D、 关掉

与导通特性不同,二极管是否适合高频应用主要取决于截止特性参数。当晶体管导通时,电流if的变化率等于晶体管的电流上升率di/dt。如果使用MOSFET或IGBT,其-dif/dt很容易超过1000A/μs如上所述,在二极管恢复阻塞能力之前,必须移除在导通状态下存储在PN结中的载流子。这会产生反向恢复电流,其波形取决于芯片温度、正向电流if,-dif/dt和制造工艺。

图4显示了在不同温度下具有相同正向特性的金掺杂和铂掺杂外延二极管的反向恢复电流。

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在相同温度下,不同制造工艺的二极管的反向恢复特性明显不同。

掺铂二极管的反向恢复电流迅速减小,具有可控少数载流子的掺金二极管的恢复特性相对较软。

恢复电流迅速减小,线路中分布电感引起的电压尖峰越高。如果最大电压超过三极管的耐受电压,则必须使用吸收电路以确保设备的安全运行。此外,过高的Du/dt将导致EMI/RFI问题,在RFI有限的情况下,应使用复杂屏蔽。

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二极管的反向恢复电流不仅会增加二极管的关断损耗。它还增加了晶体管的导通损耗,因为它也是二极管的反向电流。图6显示晶体管的导通电流是电感电流加上二极管的反向恢复电流,并且导通时间因TRR的影响而增加。

图6集中于在软恢复特性的情况下低恢复电流的优点。首先,具有软恢复特性的掺金二极管的电压尖峰和反向恢复电流较小。二极管具有低的关断损耗。其次,低反向恢复电流可以减少晶体管的导通损耗。因此,二极管的选择直接决定了两个器件的功率损耗。

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标签: 二极管 电流

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