恒流二極管原理及特性

1、恒流二極管恒流二極管是近年來(lái)問(wèn)世的半導(dǎo)體恒流器件， 在很寬的電壓范圍內(nèi)輸出恒定 的電流，并具有很高的動(dòng)態(tài)阻抗。由于它的恒流性能好、價(jià)格較低、使用簡(jiǎn)便， 因此目前已被廣泛用于恒流源、穩(wěn)壓源、放大器以及電子儀器的保護(hù)電路中。恒流二極管是利用柵源短接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作的。由此我們先來(lái)了解結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。圖1是一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的示意圖，在一塊N型（或P型）半導(dǎo)體材料的兩 邊各擴(kuò)散一個(gè) 高雜質(zhì)濃度的P型區(qū)（或N型區(qū)），就形成兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)的PN結(jié)0），使N溝道中的多 數(shù)載流子電子在電場(chǎng)作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流 iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時(shí)也受漏-源電壓vDS

2、的影響。因此，討論場(chǎng) 效應(yīng)管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對(duì)溝道電阻及漏極電流iD的控制作 用，以及漏-源電壓vDS對(duì)漏極電流iD的影響。圖3N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)施加電壓示意圖1. vGS對(duì)溝道電阻及iD的控制作用(a) vGS丸的情況VPvGSQ的情況 vGSVP圖4 VGS對(duì)溝道電阻控制作用示意圖圖4所示電路說(shuō)明了 vGS對(duì)溝道電阻的控制作用。為便于討論，先假設(shè)漏 - 源極間所加的電壓vDS=Q當(dāng)柵-源電壓vGS=O時(shí)，溝道較寬，其電阻較小，女口 圖4(a)所示。當(dāng)vGS0且其大小增加時(shí)，在這個(gè)反偏電壓的作用下，兩個(gè)P+N結(jié)耗盡層將加寬。由于N區(qū)摻雜濃度小于P+區(qū)，因此，隨著|vG

3、S|的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴(kuò)展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖4(b)所示。當(dāng)|vGS|進(jìn)一步增大到一定值|VP| (夾斷電壓)時(shí)，兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央 合攏，溝道全部被夾斷，如圖4(c)所示。由于耗盡層中沒(méi)有載流子，因此這時(shí) 漏-源極間的電阻將趨于無(wú)窮大，即使加上一定的電壓vDS漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵-源電壓稱(chēng)為夾斷電壓，用 VP表示。上述分析表明，改變柵源電壓vGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。 若同時(shí)在漏源極間加上固定的正向電壓 vDS則漏極電流iD將受vGS的控制， |vGS|增大時(shí)，溝道電阻增大，iD減小。上述效應(yīng)也可以看作是柵-源極間的偏 置電壓在溝道兩

4、邊建立了電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流iD的大小。2. vDS對(duì)iD的影響vDSvGS-VP 的情況圖5 vDS對(duì)iD的影響設(shè)vGS值固定，且VPwGSvQ當(dāng)漏-源電壓vDS從零開(kāi)始增大時(shí)，溝道中有 電流iD流過(guò)。由于溝道存在一定的電阻，因此，iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道 內(nèi)各點(diǎn)的電位不再相等，漏極端電位最高，源極端電位最低。這就使柵極與溝道 內(nèi)各點(diǎn)間的電位差不再相等，其絕對(duì)值沿溝道從漏極到源極逐漸減小，在漏極端最大(為|vGD| )，即加到該處P+N結(jié)上的反偏電壓最大，這使得溝道兩側(cè)的耗 盡層從源極到漏極逐漸加寬，溝道寬度不再均勻，而呈楔形，

5、如圖5(a)所示。在vDS較小時(shí)，它對(duì)iD的影響應(yīng)從兩個(gè)角度來(lái)分析：一方面 vDS增加時(shí)， 溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，iD隨著增加；另一方面，隨著 vDS的增加，溝道的不均勻性增大，即溝道電阻增加，iD應(yīng)該下降，但是在vDS較小時(shí)，溝道的不均勻 性不明顯，在漏極附近的區(qū)域內(nèi)溝道仍然較寬， 即vDS對(duì)溝道電阻影響不大，故 iD隨vDS增加而幾乎呈線(xiàn)性地增加。隨著 vDS的進(jìn)一步增加，靠近漏極一端的 P+N結(jié)上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應(yīng)變寬，溝道電阻相應(yīng)增加，iD隨vDS上升的速度趨緩。當(dāng)vDS增加到vDS=vGS-VP即vGD=vG9DS=VP俠斷電壓)時(shí)，漏極附近的 耗盡層即在A點(diǎn)處合攏，

6、如圖5(b)所示，這種狀態(tài)稱(chēng)為預(yù)夾斷。與前面講過(guò)的 整個(gè)溝道全被夾斷不同，預(yù)夾斷后，漏極電流iD工0。因?yàn)檫@時(shí)溝道仍然存在，溝道內(nèi)的電場(chǎng)仍能使多數(shù)載流子(電子)作漂移運(yùn)動(dòng)，并被強(qiáng)電場(chǎng)拉向漏極。若 vDS繼續(xù)增加，使vDSvGS- VP,即vGDc VP時(shí)，耗盡層合攏部分會(huì)有增加，即 自A點(diǎn)向源極方向延伸，如圖5(c)，夾斷區(qū)的電阻越來(lái)越大，但漏極電流iD卻 基本上趨于飽和，iD不隨vDS的增加而增加。因?yàn)檫@時(shí)夾斷區(qū)電阻很大，vDS的增加量主要降落在夾斷區(qū)電阻上， 溝道電場(chǎng)強(qiáng)度增加不多，因而iD基本不變。 但當(dāng)vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后，漏極一端P+N結(jié)上反向電 壓將使

7、P+N結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD會(huì)急劇增加，正常工作時(shí)vDS不能超過(guò)V(BR)DS從結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)的原理可知： 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極與溝道之間 的P+N結(jié)是反向偏置的，因此，柵極電流iG0，輸入阻抗很高。 漏極電流 受柵-源電壓vGS控制，所以場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件。 預(yù)夾斷前，即 vDS較小時(shí)，iD與vDS間基本呈線(xiàn)性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，電源的極性與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電源極性 相反。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電流-電壓特效包括輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。 輸出特性 表示VGS 定時(shí)，iD與VDS之間的變化關(guān)系，如圖6。預(yù)夾瑞軌跡Vss -0V0放大teiD=f(VD

8、S)&嚴(yán) Ws -4VT I 1 I *4 6 8 10 12 vds圖6輸出特性從圖上可看出，輸出特性分為三個(gè)區(qū)，飽和區(qū)，放大區(qū)和截止區(qū)。（1）截止區(qū)（夾斷區(qū)），如果VP= -4V, VGS= -4V以下區(qū)域就是截止區(qū)， VG仝VP ,ID=0。（ 2）放大區(qū)（恒流區(qū)）產(chǎn)生夾斷后， VDS增大，ID不變的區(qū)域，丨VGS-VDS | | VP,| VDSt- ID不變，處于恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)壓控電流源。橫流二極管正是柵源短接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，即結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作 在耗盡區(qū)最窄，漏電流最大情況下的。（3）飽和區(qū)（可變電阻區(qū)），未產(chǎn)生夾 斷時(shí)，VDS增大，ID隨著增大的區(qū)域，| VGS-V

9、DSl | VP后，管子工作在恒流區(qū),|VGS - VDS | | VP |時(shí)，iD可近似表示為：圖7從輸出特性曲線(xiàn)作圖求出轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET在電路圖中的符號(hào)為：gN溝道JFETP溝道JFET一、恒流二極管的性能特點(diǎn)恒流二極管（CRD）屬于兩端結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)恒流器件。其電路符號(hào)和伏安特性 如圖一所示。恒流二極管在正向工作時(shí)存在一個(gè)恒流區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)I不隨VHI而變化；其反向工作特性則與普通二極管的正向特性有相似之處。恒流二極管 的外形與3DG6型晶體管相似，但它只有兩個(gè)引線(xiàn)，靠近管殼突起的引線(xiàn)為正極。VDH（町電踣符號(hào)伏安特性 圖一恂流二根連恒流二極管的主要參數(shù)有：恒定電流（I

10、H）,起始電壓（飽和電壓，V S）, 擊穿電壓（V（BO），動(dòng)態(tài)阻抗（Z H），電流溫度系數(shù)（aT，單位溫度變化引起恒 定電流相對(duì)變化的百分比）。其恒定電流一般為0.26mA）。起始電壓表示管子 進(jìn)入恒流區(qū)所需要的最小電壓。恒流二極管的正向擊穿電壓通常為30100V。動(dòng)態(tài)阻抗的定義是工作電壓變化量與恒定電流值變化量之比，對(duì)恒流管的要求是Zh愈大愈好，當(dāng)I H較小時(shí)Zh可達(dá)數(shù)兆歐，I H較大時(shí)Zh降至數(shù)百千歐。電流 溫度系數(shù)由下式確定：a=（ Ih /I H ）/ T*100% 式中的 I h、 T分別代表恒定電流的變化量與溫度變化量。需要指出，恒流二極管的a可以為正值，也可以是負(fù)值，視Ih值而

11、定。一般講，當(dāng)Ih V 0.6mA時(shí), a 0;當(dāng)I h0.6mA時(shí)，aV0。因此，I h 0.6mA的管子則具有負(fù)的電流溫度系數(shù)。假如某些管子的I h值略低于0.6mA，那么其a值伴隨I的變化既可為正，又可為負(fù)，通常就用絕對(duì) 值表示。a的單位是/C。恒流二極管在零偏置下的結(jié)電容近似為 10pF，進(jìn)人恒流區(qū)后降至35pF， 其頻率響應(yīng)大致為0500kHz。當(dāng)工作頻率過(guò)高時(shí)，由于結(jié)電容的容抗迅速減小， 動(dòng)態(tài)阻抗就降低，導(dǎo)致恒流特性變差。常用的國(guó)產(chǎn)恒流二極管有 2DH系列，它分為2DH0、2DH00、2DH100、 2DH000四個(gè)子系列。三、檢測(cè)恒流二極管的方法檢測(cè)恒流二極管的電路如圖三所示。E

12、是可調(diào)直流電源，向恒流二極管提供 工作電壓Vi。用直流毫安表測(cè)量恒定電流Ih ,同時(shí)用一塊直流電壓表監(jiān)測(cè)工 作電壓Vi。當(dāng)Vi從Vs 一直上升到Vbo時(shí)，Ih應(yīng)保持恒定。電路中的Rl為負(fù) 載電阻。圖三加說(shuō)一服管也測(cè)曲路實(shí)際測(cè)量一只2DH04C型恒流二極管，其標(biāo)稱(chēng)恒定電流Ih =0.4mA，正向 擊穿電壓Vbo=70V。采用如圖三所示電路，由HT-1714C型直流穩(wěn)壓電源代替 E, 提供030V的工作電壓。將兩塊500型萬(wàn)用表分別撥到直流1mA擋和2.5V(或 10V、50V擋)，測(cè)量Ih與Vi值。Rl選用10k歐電位器。首先把Rl調(diào)至零歐， 然后改變E值，可測(cè)得其特性參數(shù)。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到，

13、當(dāng) V 1.5V寸管子進(jìn)人恒流區(qū)，I =0.340.36mA， 因此該管子的起始電壓 V =1.5V。當(dāng)V=1.515V時(shí)，I恒定不變；當(dāng)V=1.5 30V時(shí)，I最多只增加0.02mA，變化率小于5.9 %。然后將R從零歐調(diào)至10k歐，重復(fù)上述試驗(yàn)。在 V=1.530V的范圍內(nèi)，I =0.34 ).03mA，變化率厶I /I V 8.9 %。由此證明被測(cè)恒流二極管的恒流特性 良好，在滿(mǎn)足R vZ之條件下，I隨負(fù)載而變化。測(cè)量時(shí)需注意以下事項(xiàng)：(1 )測(cè)量恒流二極管時(shí)極性不得接反，否則起不到恒流作用，并且還容易燒 毀管子。(2 )由恒流二極管組成電路時(shí)，必須使 Rl Z h ,否則恒流特性無(wú)法保

14、證。(3 )恒流二極管的正向擊穿電壓 V(bo)般為30100V。利用兆歐表與直流 電壓表能夠測(cè)量V (BO)值。具體方法是將恒流二極管的正、負(fù)極分別接兆歐表的 E、L接線(xiàn)柱。然后按額定轉(zhuǎn)速搖動(dòng)兆歐表的手柄，使恒流二極管處于正向軟擊 穿狀態(tài)，借助于直流電壓表即可讀出 V(BO)值。兆歐表的輸出電壓雖然可達(dá)幾百 至幾千伏，但其內(nèi)阻很高，因此輸出電流很小，不會(huì)損壞管子。一旦被測(cè)管子正 向擊穿，兆歐表的輸出電壓 就被鉗 位于擊穿電壓 上。用此法 實(shí)測(cè)上例中的 ZDH04C，V(bo)=72V，比規(guī)定值(70V)略高一點(diǎn)。測(cè)量時(shí)管子極性亦不得接反。 四、恒流管的應(yīng)用1、擴(kuò)展電流或電壓的方法利用并聯(lián)法擴(kuò)

15、流、串聯(lián)法升壓使用一只恒流二極管只能提供幾毫安的恒定電流，若將幾只恒流管并聯(lián)使 用，則可以擴(kuò)大輸出電流。例如 2DH5C型恒流管的Ih =5mA，兩只管子并聯(lián)后 為10mA，電流擴(kuò)展了一倍。需要指出，將幾只恒流二極管并聯(lián)使用時(shí)，恒流源 的起始電壓等于這些管子中的最大值，而正向擊穿電壓則等于這些管子中的最小 值。此外，在擴(kuò)展電流的同時(shí)，恒流源的動(dòng)態(tài)阻抗將變小。利用串聯(lián)法可以提升電壓。例如，將幾只性能相同的恒流二極管串聯(lián)使用， 可將耐壓值提高到100V以上。假如每只管子的恒流值不等，那么恒流值較小的 管子將首先進(jìn)人恒流狀態(tài)。必要時(shí)可給 Ih值較小的管子并聯(lián)一只分流電阻，使 各管子同時(shí)進(jìn)人恒流狀態(tài)。

16、 利用晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行擴(kuò)流及升壓擴(kuò)流及升壓電路分別如圖四(a )、（b ）所示。m 擴(kuò)Ji升圖四是由晶體管JE9013和恒流二極管構(gòu)成的擴(kuò)流電路。設(shè)恒流管的恒定電流為 I h ； JE9013的共發(fā)射極電流放大系數(shù)為hFE，擴(kuò)展后的恒流值由下式確定：h =（h fe+1）I hFfeIh由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6與恒流二極管組成的升壓電路如圖四（b）所示。R1、 R2均為偏置電阻，阻值應(yīng)取幾十兆歐。令恒流二極管的正向擊穿電壓為 V（bo）, 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏-源極擊穿電壓為Vi，則恒流源的耐壓值 V2=V（bo）+V i同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)流和升壓某些情況下要求對(duì)恒流二極管同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)流與升壓，這時(shí)可采用如圖五所示 的電路。現(xiàn)由NPN型高反壓管 VT （3DG407 ）、恒流二極管2DH560、輔助電 源Eb構(gòu)成擴(kuò)流電路。2DH560的Ih =5.60mA，起始電壓Vs =4.0V，設(shè)VT的 發(fā)射結(jié)壓降Vbe = 0.65V, Eb應(yīng)大于Vs與V be之和（4.65V ）。VD1和VD2為 溫度補(bǔ)償二極管。輸出級(jí)采用 VMOS管，其柵極電壓由穩(wěn)壓管 VDz1、VDz2和 電位器RP所決定。VMOS管屬于高效場(chǎng)效應(yīng)功率管，其性