恒流二极管原理及特性.doc

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1、恒流二极管恒流二极管是近年来问世的半导体恒流器件，在很宽的电压范围内输出恒定的电流，并具有很高的动态阻抗。由于它的恒流性能好、价格较低、使用简便，因此目前已被广泛用于恒流源、稳压源、放大器以及电子仪器的保护电路中。恒流二极管是利用栅源短接的结型场效应晶体管工作的。由此我们先来了解结型场效应管的工作原理。图1是一个结型场效应管的示意图，在一块N型(或P型)半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P型区(或N型区)，就形成两个不对称的PN结。把两个P区(或N区)并联在一起，引出一个电极，称为栅极(g)，在N型(或P型)半导体的两端各引出一个电极，分别称为源

2、极(s)和漏极(d)。夹在两个PN结中间的N区(或P区)是电流的通道，称为导电沟道(简称沟道)。这种结构的管子称为N沟道(或P沟道)结型场效应管。图1结型场效应管示意图图2N沟道结型场效应管结构剖面图N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图3所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压(vGS＜0)，使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现很高的输入电阻。在漏-源极间加一正电压(vDS＞0)，使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运

3、动，形成漏极电流iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对沟道电阻及漏极电流iD的控制作用，以及漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。图3N沟道结型场效应管工作时施加电压示意图1．vGS对沟道电阻及iD的控制作用图4VGS对沟道电阻控制作用示意图图4所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。当栅-源电压vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图4(a)所示。当vGS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P

4、+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着

5、vGS

6、的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图4(b)所示。当

7、vGS

8、进一步增大到一定值

9、VP

10、（夹断电压）时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图4(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用VP表示。上述分析表明，改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的

11、控制，

12、vGS

13、增大时，沟道电阻增大，iD减小。上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。2．vDS对iD的影响图5vDS对iD的影响设vGS值固定，且VP

14、vGD

15、)，即加

16、到该处P+N结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图5(a)所示。在vDS较小时，它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD

17、随vDS上升的速度趋缓。当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS-vDS=VP(夹断电压)时，漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图5(b)所示，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD≠0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。若vDS继续增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图5(c)，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD却基本上趋于饱和，iD不随vDS的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大，

18、vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vDS增加到大于某一极限值