在本文中，我們將研究結(jié)型二極管的特性，并學(xué)習(xí)如何分析包含在正向、反向和擊穿偏壓下工作的二極管的電路。

結(jié)型二極管特性

二極管常見的應(yīng)用之一是 pn 結(jié)。該 pn 結(jié)可用于操作和實(shí)現(xiàn)二極管的功能，因?yàn)樗梢栽谡騻鲗?dǎo)相當(dāng)大的電流，而在反向方向幾乎不傳導(dǎo)電流。在本文中，我們將重點(diǎn)關(guān)注  結(jié)型二極管的 i - v特性，特別是 pn 結(jié)。

圖 1.1 說明了硅結(jié)二極管的特性。圖 1.2 中顯示了同一二極管及其特性，以說明二極管的更多特性。查看圖 1.2，請(qǐng)注意原點(diǎn)處有一個(gè)不連續(xù)點(diǎn)；這種不連續(xù)性是由反向和正向電壓的比例變化引起的。pn結(jié)的特性曲線由三個(gè)獨(dú)特的區(qū)域組成：

1.  正向偏置區(qū)域 - 這由 v  > 0決定

2.  反向偏置區(qū)域 - 這是由 v  < 0決定的

3.  擊穿區(qū)域 - 這由 v  < - V ZK決定

我們將從正向偏置區(qū)域開始了解這些區(qū)域中的每一個(gè)。

正向偏置區(qū)

當(dāng)端電壓為正時(shí)，正向偏置區(qū)開始工作。在這個(gè)區(qū)域中，iv 關(guān)系的特點(diǎn)是：

i=IS(ev/VT?1)i=IS(ev/VT?1)

公式 1.1

圖 1.1 硅結(jié)二極管的特性

圖 1.2 二極管電流與電壓關(guān)系詳圖

在公式 1.1 中，I S 是給定溫度下特定二極管的常數(shù)值。該電流 I S 稱為飽和電流。或者，更常用的另一個(gè)名稱是刻度電流。這個(gè)刻度參考名稱源于電流 I S，它與給定結(jié)二極管的橫截面積成正比。考慮到這一點(diǎn)，如果結(jié)型二極管的面積加倍，則 I S的值也 隨之加倍。

至于小信號(hào)二極管，在需要高頻或小電流的電子電路（如電視機(jī)、收音機(jī)和數(shù)字邏輯電路）中非常常用，Is一般在10 -15 Amps數(shù)量級(jí) 。刻度電流被認(rèn)為是溫度的強(qiáng)函數(shù)，溫度每升高 5oC，電流就會(huì)翻倍。

如果我們?cè)俅尾榭垂?1.1，電壓 VT 稱為熱電壓，它是一個(gè)常數(shù)，由下式給出： 

$$V_T=\frac{kT}{q}$$    

公式 1.2

和 

• k = 波爾茲曼常數(shù) = 1.38?10 -23 焦耳/開爾文
• T = 以開爾文為單位的溫度 = 273.15 + 以 oC 為單位的溫度
• q = 電荷量 = 1.60?10 -19 庫(kù)侖

那么如果我們將玻爾茲曼常數(shù)代入方程 1.2，我們得到：

\frac{k}{q}=\frac{1.381\cdot^{-23}\frac{J}{K}}{1.602\cdot ^{-19}C}=86.2\frac{\mu V {K}

公式 1.2a

由于根據(jù)定義 1 V = 1 J/C，我們有 

$$V_T=\left(86.2\frac{\mu V}{K}\right)T$$

如果我們考慮室溫 (20oC)，公式 1.2a 提供的 V T電壓值為 25.3 mV。 

如果我們觀察以電流i正向工作的結(jié)型二極管 （對(duì)于i  >>  I S 更是如此 ）， 則可以通過電壓的指數(shù)關(guān)系估算公式 1.1：

$$i?I_S{e}^{v/V_T}$$    

公式 1.3

同樣的等式可以寫成對(duì)數(shù)形式，也可以寫成

$$v=V_{T}ln\frac{i}{I_S}$$    

公式 1.4

這種指數(shù)關(guān)系是結(jié)型二極管的一個(gè)非凡特性，已被用于許多引人入勝的應(yīng)用中。 

現(xiàn)在看看公式 1.3 中的正向偏置 i - v關(guān)系，我們可以計(jì)算出 具有相應(yīng)二極管電壓 V 1 的 電流 I 1為

$$I_1=I_S{e}^{V_1/V_T}$$

等效地，如果我們有一個(gè)二極管電壓 V 2，我們將有一個(gè)二極管電流 I 2 由下式給出

$$I_2=I_S{e}^{V_2/V_T}$$

因此，我們可以將這兩個(gè)方程結(jié)合起來得到

$$\frac{I_2}{I_1}=e^{(V_2?V_1)/V_T}$$

其中，通過簡(jiǎn)化，提供

$$V_2?V_1=V_{T}ln\frac{I_2}{I_1}$$

仔細(xì)觀察圖 1.2，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)v小于 0.5 v 時(shí)，電流很小  ，我們認(rèn)為可以忽略不計(jì)。該電壓值被稱為切入電壓。這是二極管開始顯著傳導(dǎo)時(shí)的確定正向電壓。電流-電壓特性中的這個(gè)閾值是指數(shù)關(guān)系的結(jié)果。

這種關(guān)系的另一個(gè)結(jié)果導(dǎo)致電流 i的快速增加。此外，對(duì)于被稱為“完全導(dǎo)電”的二極管，電壓降在相當(dāng)窄的范圍內(nèi)，大約為 0.6 至 0.8 V。這為二極管提供了一個(gè)簡(jiǎn)單模型，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)導(dǎo)電二極管具有電壓大約 0.7 V 穿過它。有許多不同的二極管會(huì)表現(xiàn)出相同的 0.7 V 壓降，但電流值不同。例如，如果我們考慮一個(gè)小信號(hào)二極管，則在i = 2 mA時(shí)會(huì)有 0.7 V 的壓降  ，而更大功率的二極管在 i  = 2 A時(shí)可能有相同的 0.7 V 壓降。

反向偏置區(qū)

當(dāng)二極管的電壓 v 變?yōu)樨?fù)值時(shí)，該區(qū)域開始工作。本文中討論的個(gè)等式，即等式 1.1，說明如果電壓為負(fù)且略大于 V T  (~25.3 mV)，則指數(shù)項(xiàng) $$\frac{v}{V_T}$$, 與整體相比是微不足道的。因此二極管的電流可以表示為：

$$i??I_S$$

這意味著，如果電流方向相反，則認(rèn)為它是恒定的并等效于 I S。因?yàn)檫@個(gè)電流是一致的，所以得名“飽和電流”。 

然而，真正的二極管確實(shí)會(huì)出現(xiàn)這些反向電流，雖然它們可能相對(duì)較小，但比I S大得多 。例如，如果我們觀察一個(gè)據(jù)說為 10 -14 至 10 -15  A 的小信號(hào)二極管的飽和電流，它可能會(huì)表現(xiàn)出 1 nA 的反向電流。該電流將隨著反向電壓幅度的增加而部分增加。由于反向電流的幅度相對(duì)較小，因此無法在圖 1.2 中看到電流-電壓特性。 

擊穿區(qū)域

二極管工作的一個(gè)區(qū)域稱為擊穿區(qū)域，如圖 1.2 所示。只有當(dāng)反向電壓的幅度超過與特定二極管本身相關(guān)的閾值（稱為擊穿電壓）時(shí)，才會(huì)進(jìn)入該區(qū)域。這也就是圖1.2中電流-電壓曲線的“拐點(diǎn)”，標(biāo)記為 V ZK，其中Z表示齊納二極管，K代表拐點(diǎn)。 

當(dāng)我們查看說明電流-電壓特性的詳細(xì)圖時(shí)，我們看到反向電流在擊穿區(qū)域急劇增加，而電壓降相當(dāng)小。二極管擊穿通常不是破壞性的，前提是二極管內(nèi)耗散的功率被外部電路限制在安全水平。該級(jí)別通常在設(shè)備上或設(shè)備手冊(cè)中指定。因此，有必要將該擊穿區(qū)域中的反向電流限制為與允許的功耗一致的特定值。 

還有一點(diǎn)值得注意的是，由于擊穿區(qū)的電流-電壓特性非常接近垂直線，我們可以將其用于穩(wěn)壓應(yīng)用。我們將在另一篇文章中對(duì)此進(jìn)行討論。