淺談二極管在i產(chǎn)品中的應用

淺談二極管在i產(chǎn)品中的應用

在這樣一個進步時代，電子產(chǎn)品的更新每天都是不間斷的，報紙也經(jīng)常談論。IT產(chǎn)品在當今社會有著很重要的位置。它是一個巨大生活資源,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)造出更多先進的設(shè)備。硬件電路錯綜復雜,三極管在其中的應用有著舉足輕重的作用,能否正確的使用三極管是一個電路的關(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體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié),兩個PN結(jié)把正塊半導體分成三部分,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,從三個區(qū)引出相應的電極,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):截止狀態(tài):當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導通電壓,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失去了電流放大作用,集電極和發(fā)射極之間相當于開關(guān)的斷開狀態(tài),我們稱三極管處于截止狀態(tài)。放大狀態(tài):當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導通電壓,并處于某一恰當?shù)闹禃r,三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置,這時基極電流對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,這時三極管處放大狀態(tài)。飽和導通狀態(tài):當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導通電壓,并當基極電流增大到一定程度時,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)射極之間相當于開關(guān)的導通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)我們稱之為飽和導通狀態(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?為250時,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通狀態(tài),這點要特別注意。特別是基極電流的提供必須要讓其正常的工作在飽和導通狀態(tài)之下。在未飽和導通狀態(tài)下,其CE間電壓UCE會比飽和情況下的電壓UCE(S)來的大(飽和導通CE間結(jié)阻抗最小,應此UCE最小),因此在同樣電流大小的狀態(tài)下,根據(jù)P=UI,可知飽和導通時其耗散功耗(Pdissipation)最小,反之,在未飽和時其功耗將比飽和時更大(尤其是DCDC的開關(guān)三極管,其E極直接到地,導通時將會通過較大電流),若超過其最大額定功耗值不僅會發(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通狀態(tài)下的原因。23.開關(guān)設(shè)計2.1電子擴散的原因如上圖,三極管Q6作為開關(guān)管通過開關(guān)來間接控制另一個PNP晶體管Q4的導通與截至。我們知道,晶體管做開關(guān)之用時,必須讓其進入飽和狀態(tài),表現(xiàn)為:加大電流Ib,電流Ic也不會有多少增加,這表明管子已經(jīng)進入飽和狀態(tài)了。放大原理:我們知道在放大狀態(tài)時是發(fā)射區(qū)的多子電子受到發(fā)射結(jié)正向電壓(UBE)的影響而向基極擴散,同時基極少子電子濃度低于多子空穴(空穴對發(fā)射極電子的吸引)也是其向基區(qū)擴散的原因,當?shù)竭_基區(qū)后,由于基區(qū)很薄,因此很容易就擴散到基區(qū)與集電極的接觸邊沿,這時受到電壓UCE的影響,使這些電子以漂移運動的形式形成集電結(jié)電流IC。(集電極與集電結(jié)概念不同,集電極只是一個極,而集電結(jié)是集電極與基極形成的一個PN結(jié),請區(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間更多的流到基區(qū),進而形成IB的同時也形成IC,達到增大IC的目的(電流的定義就是單位時間流經(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IB足夠大后,單位時間到達基區(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,其在單位時間進入集電極的電子數(shù)量已不能再增加,此時就進入了飽和狀態(tài)。因為飽和狀態(tài)時,單位時間進從基區(qū)進入集電極的少子電子數(shù)量已達最大值,故其電流IC不會再增大,因此此時對外呈現(xiàn)飽和導通狀態(tài)(其實飽和我覺得就是指到達基區(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,自然可認為此時的RCE為最小了),因此CE間可看作全導通狀態(tài)。可反過來想象,若工作在放大區(qū),則IC達不到臨界最大值,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通狀態(tài)(屬不完全導通)。深度飽和:當IB>>ICmax/?時我們說其此管子進入了深度飽和狀態(tài),就是當加大IB使得IC到達最大臨界值后,再繼續(xù)加大IB,此時就進入了深度飽和。深度飽和對于要求開關(guān)速度的三極管來說影響較大,主要時影響三極管的開關(guān)速度。為什么深度飽和影響三極管開關(guān)速度呢?因為三極管是由PN結(jié)構(gòu)成的,其有一定的容性特征(比如說NPN,就是兩個PN結(jié)極類似兩個極板,顯示出容性),當深度飽和發(fā)生后使其容性更加明顯,容性最明顯的就是充放電,當深度飽和使其容性特征增強后,其帶來的充放電時延就會大大影響開關(guān)管的開關(guān)速率,特別是在開啟時間Ton,上升時間Trise,下降時間Tfall,以及關(guān)斷時間Toff上都會收到明顯的影響,因此深度飽和是絕對要避免的。為什么通常用兩個電阻連接三極管?如上圖,電阻R31是為了限流,限制流進IB的電流,避免進入深度飽和。而電阻R32與BE間并聯(lián),其有兩個原因:第一因為三極管表現(xiàn)出一定容性,當基極控制電壓關(guān)斷后其可能還未完全截止,這時用電阻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,這被稱作泄放電路(P.S:當R32用做泄放電路使用時,R32最好不應取太大,畢竟低阻抗的泄放電路更有利于PN結(jié)泄放電荷,若R32太大也會使泄放電荷時延變長,但保持R32值不太大的同時亦要不致影響到IB,如果泄放電阻R32取小了,其分流掉部分IB電流,使得本應工作在飽和區(qū)的三極管又回到了放大區(qū))。第二:有時候控制基極的引腳在截止后呈懸空高阻態(tài),而懸空對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。為什么這兩個電阻一大一小?首先電阻R31肯定是通過計算得出的(具體計算見下個問題),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)對開關(guān)速度要求不嚴格則取值可較為隨意,大于臨界標準即可。第二個電阻R32,可知其在飽和導通下兩端電壓值為0.7V,選取的標準是通過其的電流值不能影響到IB(因為通過其的電流是從IB分流而來的),比如若IB電流為0.5mA(因為UBE=0.7已知,R31阻值已確定,IB即可求出),那么選取R32的標準就是使通過R32的電流至少小于IB一個數(shù)量級,比如定為0.05mA以下。這兩個電阻如何選取:對于這兩個電阻的選取需經(jīng)過計算。對于電阻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,就可使其進入飽和導通狀態(tài)。對于快速開關(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)相當于電容器C,若加大R那么就會增大RC充放電的時間常數(shù),延長RC充放電時間,對與開關(guān)速度影響較大。若R31選太小的情況:R31太小會造成進入深度飽和的狀態(tài),進而也影響到三極管的開關(guān)速度,當然此時可以通過減小集電極電阻Rc來使得飽和深度不會太深,因此要讓管子開關(guān)速度快,應該使Ib略大于Ic/B,這樣略超過飽和狀態(tài)是最好的。2.3勢壘電極的工作特點三極管飽和越深,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壘二極管SBD的鉗位方法來達到抗飽和的效果,一般稱為SBDTTL電路(簡稱STTL電路),其傳輸速度遠比基本TTL電路為高。肖特基勢壘二極管是一種利用金屬和半導體相接觸在交界面形成勢壘的二極管。利用金屬鋁和N型硅半導體相接觸形成的勢壘二極管的工作特點如下:(1)它和PN結(jié)一樣,同樣具有單向?qū)щ娦?這種鋁-硅勢壘二極管(Al-SiSBD)導通電流的方向是從鋁到硅。(2)Al-SiSBD的導通閾值電壓較低,約為0.4~0.5V,比普通硅PN結(jié)約低0.2V。(3)勢壘二極管的導電機構(gòu)是多數(shù)載流子,因而電荷存儲效應很小。為了限制BJT的飽和深度,在BJT的基極和集電極并聯(lián)上一個導通閾值電壓較低的肖特基二極管,如上圖所示?？癸柡驮?三極管在飽和導通之后其有兩個指標: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,而肖特基二極管導通閥值較低,約