PN二極管的伏安特性詳解

PN二極管中的電流I與結(jié)電壓VV的關(guān)系由公式給出，

...........(1)

圖1給出了PN二極管的典型伏安特性，如上式所示。在正向偏置時(shí)，正向電流基本保持為零，直到達(dá)到 t 二極管的所謂 Cutin 電壓 V V 。該切入電壓定義為正向電流小于二極管最大額定電流 1%的電壓。該切入電壓也稱為導(dǎo)通電壓或閾值電壓。角質(zhì)電壓隨半導(dǎo)體材料和制造方法而變化。通常，鍺二極管的切入電壓約為 0.2 伏，硅二極管約為 0.6伏。硅二極管中角值較高，主要是由于IO值較低。

從圖1中我們觀察到，在角切電壓之外，正向電流隨著正向電壓的增加而迅速增加。在正向電壓范圍內(nèi)，施加的電壓遠(yuǎn)大于V T （0.026 K 時(shí)為 300 伏），因此在上面的等式中，我們可以忽略 1 與以下更簡(jiǎn)單的形式進(jìn)行比較

.........(2)

反向偏置較小時(shí)，反向電流隨反向偏置幅度的增加而增大。當(dāng)反向偏置幅度超過(guò)數(shù)倍
VT 時(shí)，我們可能會(huì)忽略與 I 的比較，反向電流在值 IO 處變得穩(wěn)定。隨著反向電壓的進(jìn)一步增加，擊穿發(fā)生，然后反向電流在反向電壓 VZ 的幾乎恒定值下突然增加。

溫度取決于伏安特性

總反向飽和電流：

反向飽和電流的總值或?qū)崪y(cè)值，其中 I0 是反飽和電流的理論值，IR 是漏電反向電流分量。IR 與溫度無(wú)關(guān)，而 I0 與溫度密切相關(guān)。

.......(3)

該方程給出 I0 作為 D n 、Dp 和 n i ^2^ 的函數(shù)。但是 n i ^2^ 取決于溫度，如下式所示

........(4)

電壓 VT 也與溫度 T 成正比。此外，Dp 和 Dn 取決于溫度 T.因此，對(duì) Ge 和 Si 二極管都有效的 I0 的一般表達(dá)式是，

..........(5)

其中 k 是常數(shù)，m 是材料的常數(shù)，qVG0 是以焦耳為單位的禁止能隙。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ge 和 Si 二極管的反向飽和電流以每攝氏度 7% 的速度增加。但是.因此，我們得出結(jié)論，溫度每升高 10^0^ C，總反向飽和電流就會(huì)增加一倍。

角質(zhì)電壓：

以下關(guān)系對(duì) Ge 和 Si 二極管都有效，

........(6)

因此，V 和 VV 隨著溫度的升高而降低，速率為 2.5 mV/deg C。雖然角極電壓VV和總反飽和電流隨溫度變化，但二極管整體V-I特性的形狀不隨溫度變化。

二極管電阻：

靜態(tài)二極管電阻 R

它是二極管電壓與二極管電流之比。隨著操作點(diǎn)的移動(dòng)，它變化很大。它不構(gòu)成二極管的有用參數(shù)。

動(dòng)態(tài)或增量二極管電阻 r

它被定義為，

..........(7)

因此，二極管的動(dòng)態(tài)電阻是電流與電壓特性斜率的倒數(shù)，是小信號(hào)操作的重要器件參數(shù)。然而，動(dòng)態(tài)二極管電阻r隨工作點(diǎn)而變化。

從，等式（1），

........(8)

對(duì)于大于零點(diǎn)幾伏特的反向偏置，并且為負(fù)。因此，極小的組合為統(tǒng)一，因此 r 非常大。

對(duì)于大于零點(diǎn)幾伏的正向偏置，

根據(jù)等式（1），I>>I0。然后從等式（8）開(kāi)始。

.........(9)

公式（9）表明，對(duì)于正向偏置，r與電流I成反比。

在室溫 （300 K） 下，VT = 0.026 伏。然后對(duì)于 ，

.......(10)

因此，對(duì)于

例1：在100^0^C溫度下工作的理想Ge二極管具有反飽和電流。在 100^0^C 時(shí)，求出 0.1 伏偏置 （a） 正向和 （b）
反向偏置時(shí)二極管的動(dòng)態(tài)電阻。

溶液：

在 100^0^C 時(shí)，t = 273 + 100 = 373^0^K，

因此

對(duì)于Ge，

因此

現(xiàn)在

對(duì)于 0.1 伏的正向偏置，

因此

對(duì)于 0.1 V 的反向偏置，

因此

二極管特性的分段線性近似

對(duì)于大型單次操作，通常使用PN二極管V-I特性的分段線性表示就足夠了。圖 2
顯示了分段線性近似。對(duì)于 V < V V ，電流以恒定斜率上升。在這個(gè)區(qū)域，二極管具有恒定的增量電阻。在這個(gè)正向偏置區(qū)域，該電阻 r 被指定為 R f ，稱為正向電阻。