淺談二極管在i產(chǎn)品中的應(yīng)用

淺談二極管在i產(chǎn)品中的應(yīng)用

在這樣一個(gè)進(jìn)步時(shí)代，電子產(chǎn)品的更新每天都是不間斷的，報(bào)紙也經(jīng)常談?wù)摗T產(chǎn)品在當(dāng)今社會(huì)有著很重要的位置。它是一個(gè)巨大生活資源,是人們生活的重要組成部分。任何人都可以從中獲得信息,也可以從它的身上觸摸到時(shí)代的脈搏。隨著這些IT產(chǎn)品越來越深入我們的生活空間,我們的生活也變得越來越便捷。那么這些電子產(chǎn)品的本質(zhì)是什么呢?毋庸置疑是電路。有人把軟件比作IT產(chǎn)品的靈魂,那么硬件電路就是IT產(chǎn)品的軀殼,只有二者完美的結(jié)合,才能創(chuàng)造出更多先進(jìn)的設(shè)備。硬件電路錯(cuò)綜復(fù)雜,三極管在其中的應(yīng)用有著舉足輕重的作用,能否正確的使用三極管是一個(gè)電路的關(guān)鍵。1介紹父子部門1.1基區(qū)和發(fā)射區(qū)的分區(qū)晶體三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一,具有電流放大作用,是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié),兩個(gè)PN結(jié)把正塊半導(dǎo)體分成三部分,中間部分是基區(qū),兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū),排列方式有PNP和NPN兩種,從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極,分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié),集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電結(jié)?；鶇^(qū)很薄,而發(fā)射區(qū)較厚,雜質(zhì)濃度大,PNP型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是空穴,其移動(dòng)方向與電流方向一致,故發(fā)射極箭頭向里;NPN型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是自由電子,其移動(dòng)方向與電流方向相反,故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。1.2成立開關(guān)的狀態(tài)晶體三極管的三種工作狀態(tài):截止?fàn)顟B(tài):當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓,基極電流為零,集電極電流和發(fā)射極電流都為零,三極管這時(shí)失去了電流放大作用,集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài),我們稱三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。放大狀態(tài):當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓,并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí),三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置,這時(shí)基極電流對(duì)集電極電流起著控制作用,使三極管具有電流放大作用,其電流放大倍數(shù)β=ΔIc/ΔIb,這時(shí)三極管處放大狀態(tài)。飽和導(dǎo)通狀態(tài):當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓,并當(dāng)基極電流增大到一定程度時(shí),集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大,而是處于某一定值附近不怎么變化,這時(shí)三極管失去電流放大作用,集電極與發(fā)射極之間的電壓很小,集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)我們稱之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。1.3電流不放大區(qū)工作讓三極管工作在飽和區(qū)而不是放大或者截止區(qū)。這個(gè)就與三極管的?值有關(guān)了。比如我們基極電流Id為0.5mA,那么當(dāng)?為250時(shí),其Ic約為0.5mA*250=125mA,可能電路還可以提供這么大的電流,因此其將工作在放大區(qū)而無法工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài),這點(diǎn)要特別注意。特別是基極電流的提供必須要讓其正常的工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)之下。在未飽和導(dǎo)通狀態(tài)下,其CE間電壓UCE會(huì)比飽和情況下的電壓UCE(S)來的大(飽和導(dǎo)通CE間結(jié)阻抗最小,應(yīng)此UCE最小),因此在同樣電流大小的狀態(tài)下,根據(jù)P=UI,可知飽和導(dǎo)通時(shí)其耗散功耗(Pdissipation)最小,反之,在未飽和時(shí)其功耗將比飽和時(shí)更大(尤其是DCDC的開關(guān)三極管,其E極直接到地,導(dǎo)通時(shí)將會(huì)通過較大電流),若超過其最大額定功耗值不僅會(huì)發(fā)熱巨大,還可能毀壞三極管,這就是為什么我們要讓開關(guān)三極管工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下的原因。23.開關(guān)設(shè)計(jì)2.1電子擴(kuò)散的原因如上圖,三極管Q6作為開關(guān)管通過開關(guān)來間接控制另一個(gè)PNP晶體管Q4的導(dǎo)通與截至。我們知道,晶體管做開關(guān)之用時(shí),必須讓其進(jìn)入飽和狀態(tài),表現(xiàn)為:加大電流Ib,電流Ic也不會(huì)有多少增加,這表明管子已經(jīng)進(jìn)入飽和狀態(tài)了。放大原理:我們知道在放大狀態(tài)時(shí)是發(fā)射區(qū)的多子電子受到發(fā)射結(jié)正向電壓(UBE)的影響而向基極擴(kuò)散,同時(shí)基極少子電子濃度低于多子空穴(空穴對(duì)發(fā)射極電子的吸引)也是其向基區(qū)擴(kuò)散的原因,當(dāng)?shù)竭_(dá)基區(qū)后,由于基區(qū)很薄,因此很容易就擴(kuò)散到基區(qū)與集電極的接觸邊沿,這時(shí)受到電壓UCE的影響,使這些電子以漂移運(yùn)動(dòng)的形式形成集電結(jié)電流IC。(集電極與集電結(jié)概念不同,集電極只是一個(gè)極,而集電結(jié)是集電極與基極形成的一個(gè)PN結(jié),請(qǐng)區(qū)別。發(fā)射極與發(fā)射結(jié)的區(qū)別亦如此)。又由于基區(qū)空穴的數(shù)量少,且基區(qū)薄,因而只有一小部分電子與基區(qū)的空穴復(fù)合形成電流IB,大部分都漂過了基區(qū),而形成了電流IC,這樣就形成了小電流IB控制大電流IC的形式。在放大狀態(tài)下,我們加大IB,就可使多子電子在單位時(shí)間更多的流到基區(qū),進(jìn)而形成IB的同時(shí)也形成IC,達(dá)到增大IC的目的(電流的定義就是單位時(shí)間流經(jīng)橫截面的電荷量),而基區(qū)的空穴畢竟數(shù)量有限,因此電子與空穴復(fù)合而成IB的電流畢竟也小,因此大部分還是形成了集電極電流IC。2.2深度飽和的影響飽和狀態(tài)原理:當(dāng)IB足夠大后,單位時(shí)間到達(dá)基區(qū)與集電極邊緣的電子的數(shù)量已呈極限,即使再加大UBE電壓,其在單位時(shí)間進(jìn)入集電極的電子數(shù)量已不能再增加,此時(shí)就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。因?yàn)轱柡蜖顟B(tài)時(shí),單位時(shí)間進(jìn)從基區(qū)進(jìn)入集電極的少子電子數(shù)量已達(dá)最大值,故其電流IC不會(huì)再增大,因此此時(shí)對(duì)外呈現(xiàn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)(其實(shí)飽和我覺得就是指到達(dá)基區(qū)與集電極間的電子數(shù)量飽和了,不能再增多了,此時(shí)基區(qū)與集電極間的電流為最大),CE間的管降為PN結(jié)之間的結(jié)電阻所致,此時(shí)可以想象CE間的結(jié)電阻是最小了(在不改變UCE的情況下,讓IC最大,自然可認(rèn)為此時(shí)的RCE為最小了),因此CE間可看作全導(dǎo)通狀態(tài)?？煞催^來想象,若工作在放大區(qū),則IC達(dá)不到臨界最大值,在UCE不改變的情況下,其CE間電阻也不是最小,因此就不是最佳的導(dǎo)通狀態(tài)(屬不完全導(dǎo)通)。深度飽和:當(dāng)IB>>ICmax/?時(shí)我們說其此管子進(jìn)入了深度飽和狀態(tài),就是當(dāng)加大IB使得IC到達(dá)最大臨界值后,再繼續(xù)加大IB,此時(shí)就進(jìn)入了深度飽和。深度飽和對(duì)于要求開關(guān)速度的三極管來說影響較大,主要時(shí)影響三極管的開關(guān)速度。為什么深度飽和影響三極管開關(guān)速度呢?因?yàn)槿龢O管是由PN結(jié)構(gòu)成的,其有一定的容性特征(比如說NPN,就是兩個(gè)PN結(jié)極類似兩個(gè)極板,顯示出容性),當(dāng)深度飽和發(fā)生后使其容性更加明顯,容性最明顯的就是充放電,當(dāng)深度飽和使其容性特征增強(qiáng)后,其帶來的充放電時(shí)延就會(huì)大大影響開關(guān)管的開關(guān)速率,特別是在開啟時(shí)間Ton,上升時(shí)間Trise,下降時(shí)間Tfall,以及關(guān)斷時(shí)間Toff上都會(huì)收到明顯的影響,因此深度飽和是絕對(duì)要避免的。為什么通常用兩個(gè)電阻連接三極管?如上圖,電阻R31是為了限流,限制流進(jìn)IB的電流,避免進(jìn)入深度飽和。而電阻R32與BE間并聯(lián),其有兩個(gè)原因:第一因?yàn)槿龢O管表現(xiàn)出一定容性,當(dāng)基極控制電壓關(guān)斷后其可能還未完全截止,這時(shí)用電阻R32到地,這樣多余的電荷就可以釋放到地,并保持與地的等電勢(shì),這被稱作泄放電路(P.S:當(dāng)R32用做泄放電路使用時(shí),R32最好不應(yīng)取太大,畢竟低阻抗的泄放電路更有利于PN結(jié)泄放電荷,若R32太大也會(huì)使泄放電荷時(shí)延變長(zhǎng),但保持R32值不太大的同時(shí)亦要不致影響到IB,如果泄放電阻R32取小了,其分流掉部分IB電流,使得本應(yīng)工作在飽和區(qū)的三極管又回到了放大區(qū))。第二:有時(shí)候控制基極的引腳在截止后呈懸空高阻態(tài),而懸空對(duì)與三極管基極來說是很容易收到干擾的,因此把基極通過電阻拉到地,保持其在截至后基極電位的確定性。為什么這兩個(gè)電阻一大一小?首先電阻R31肯定是通過計(jì)算得出的(具體計(jì)算見下個(gè)問題),若是做快速開關(guān)則不能取太大也不能取太小,若只是做普通開關(guān)對(duì)開關(guān)速度要求不嚴(yán)格則取值可較為隨意,大于臨界標(biāo)準(zhǔn)即可。第二個(gè)電阻R32,可知其在飽和導(dǎo)通下兩端電壓值為0.7V,選取的標(biāo)準(zhǔn)是通過其的電流值不能影響到IB(因?yàn)橥ㄟ^其的電流是從IB分流而來的),比如若IB電流為0.5mA(因?yàn)閁BE=0.7已知,R31阻值已確定,IB即可求出),那么選取R32的標(biāo)準(zhǔn)就是使通過R32的電流至少小于IB一個(gè)數(shù)量級(jí),比如定為0.05mA以下。這兩個(gè)電阻如何選取:對(duì)于這兩個(gè)電阻的選取需經(jīng)過計(jì)算。對(duì)于電阻R31的選取:Rc——集電極上串的電阻;IBS——基極臨界飽和電流;ICS——集電極飽和電流;VCES——集射極飽和管壓降。因此只要選用的電阻R31能使IB>Ibs,就可使其進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)于快速開關(guān)電路的三極管電阻R31,不能太大也不能太小,若R31選太大的情況:我前面說過PN結(jié)相當(dāng)于電容器C,若加大R那么就會(huì)增大RC充放電的時(shí)間常數(shù),延長(zhǎng)RC充放電時(shí)間,對(duì)與開關(guān)速度影響較大。若R31選太小的情況:R31太小會(huì)造成進(jìn)入深度飽和的狀態(tài),進(jìn)而也影響到三極管的開關(guān)速度,當(dāng)然此時(shí)可以通過減小集電極電阻Rc來使得飽和深度不會(huì)太深,因此要讓管子開關(guān)速度快,應(yīng)該使Ib略大于Ic/B,這樣略超過飽和狀態(tài)是最好的。2.3勢(shì)壘電極的工作特點(diǎn)三極管飽和越深,其工作速度越慢。要提高電路的工作速度,就必須設(shè)法使三極管工作在淺飽和狀態(tài),為此,需采用抗飽和三極管,或者采用抗飽和電路。目前抗飽和電路常用肖特基二極管做抗飽和電路處理,如下圖:抗飽和TTL電路是目前傳輸速度較快的一類TTL電路。這種電路由于采用肖特基勢(shì)壘二極管SBD的鉗位方法來達(dá)到抗飽和的效果,一般稱為SBDTTL電路(簡(jiǎn)稱STTL電路),其傳輸速度遠(yuǎn)比基本TTL電路為高。肖特基勢(shì)壘二極管是一種利用金屬和半導(dǎo)體相接觸在交界面形成勢(shì)壘的二極管。利用金屬鋁和N型硅半導(dǎo)體相接觸形成的勢(shì)壘二極管的工作特點(diǎn)如下:(1)它和PN結(jié)一樣,同樣具有單向?qū)щ娦?這種鋁-硅勢(shì)壘二極管(Al-SiSBD)導(dǎo)通電流的方向是從鋁到硅。(2)Al-SiSBD的導(dǎo)通閾值電壓較低,約為0.4~0.5V,比普通硅PN結(jié)約低0.2V。(3)勢(shì)壘二極管的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是多數(shù)載流子,因而電荷存儲(chǔ)效應(yīng)很小。為了限制BJT的飽和深度,在BJT的基極和集電極并聯(lián)上一個(gè)導(dǎo)通閾值電壓較低的肖特基二極管,如上圖所示。抗飽和原理:三極管在飽和導(dǎo)通之后其有兩個(gè)指標(biāo):Ubesat(BE端飽和壓降)與Ucesat(CE端飽和壓降)。BE端飽和壓降在0.7~0.85V之間,而肖特基二極管導(dǎo)通閥值較低,約