二極管的電容效應(yīng)和等效電路與開(kāi)關(guān)特性

一、二極管的電容效應(yīng)

二極管具有電容效應(yīng)。它的電容包括勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。

1.勢(shì)壘電容CB(Cr)

前面已經(jīng)講過(guò)，PN結(jié)內(nèi)缺少導(dǎo)電的載流子，其電導(dǎo)率很低，相當(dāng)于介質(zhì);而PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)、N區(qū)的電導(dǎo)率高，相當(dāng)于金屬導(dǎo)體。從這一結(jié)構(gòu)來(lái)看，PN結(jié)等效于一個(gè)電容器。

事實(shí)上，當(dāng)PN結(jié)兩端加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，結(jié)中空間電荷量減少，相當(dāng)于電容"放電"，當(dāng)PN結(jié)兩端加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，結(jié)中空間電荷量增多，相當(dāng)于電容"充電"。這種現(xiàn)象可以用一個(gè)電容來(lái)模擬，稱為勢(shì)壘電容。勢(shì)壘電容與普通電容不同之處，在于它的電容量并非常數(shù)，而是與外加電壓有關(guān)。當(dāng)外加反向電壓增大時(shí)，勢(shì)壘電容減小;反向電壓減小時(shí)，勢(shì)壘電容增大。目前廣泛應(yīng)用的變?nèi)荻O管，就是利用PN結(jié)電容隨外加電壓變化的特性制成的。

2.擴(kuò)散電容CD

PN結(jié)正向偏置時(shí)，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)形成一定的非平衡載流子的濃度分布，即靠近PN結(jié)一側(cè)濃度高，遠(yuǎn)離PN結(jié)的一側(cè)濃度低。顯然，在P區(qū)積累了電子，即存貯了一定數(shù)量的負(fù)電荷;同樣，在N區(qū)也積累了空穴，即存貯了一定數(shù)即正電荷。當(dāng)正向電壓加大時(shí)，擴(kuò)散增強(qiáng)，這時(shí)由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)將增多，致使在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)形成了電荷堆積，相當(dāng)于電容器的充電。相反，當(dāng)正向電壓減小時(shí)，擴(kuò)散減弱，即由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)減少，造成兩個(gè)區(qū)域內(nèi)電荷的減少，、這相當(dāng)于電容器放電。因此，可以用一個(gè)電容來(lái)模擬，稱為擴(kuò)散電容。

總之，二極管呈現(xiàn)出兩種電容，它的總電容Cj相當(dāng)于兩者的并聯(lián)，即Cj=CB + CD。二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容遠(yuǎn)大于勢(shì)壘電容 Cj≈CD ;而反向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容可以忽略，勢(shì)壘電容起主要作用，Cj≈CB 。

二、二極管的等效電路

二極管是一個(gè)非線性器件，對(duì)于非線性電路的分析與計(jì)算是比較復(fù)雜的。為了使電路的分析簡(jiǎn)化，可以用線性元件組成的電路來(lái)模擬二極管。使線性電路的電壓、電路關(guān)系和二極管外特性近似一致，那么這個(gè)線性電路就稱為二極管的等效電路。顯然等效電路是在一定條件下的近似。

二極管應(yīng)用于直流電路時(shí)，常用一個(gè)理想二極管模型來(lái)等效，可把它看成一個(gè)理想開(kāi)關(guān)。正偏時(shí)，相當(dāng)于"開(kāi)關(guān)"閉合(ON)，電阻為零，壓降為零;反偏時(shí)，相當(dāng)于"開(kāi)關(guān)"斷開(kāi)(OFF)，電阻為無(wú)限大，電流為零。由于理想二極管模型突出表現(xiàn)了二極管最基本的特性--單向?qū)щ娦?，所以廣泛應(yīng)用于直流電路及開(kāi)關(guān)電路中。

在直流電路中如果考慮到二極管的電阻和門限電壓的影響。實(shí)際二極管可用圖Z0112所示的電路來(lái)等效。

在二極管兩端加直流偏置電壓和工作在交流小信號(hào)的條件下，可以用簡(jiǎn)化的電路來(lái)等效。圖中rs為二極管P區(qū)和N區(qū)的體電阻。

三、二極管的開(kāi)關(guān)特性

二極管正偏時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的接通;反偏時(shí)截止相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，表明二極管具有開(kāi)關(guān)特性。不過(guò)一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)，在接通時(shí)開(kāi)關(guān)本身電阻為零，壓降為零，而斷開(kāi)時(shí)電阻為無(wú)窮大，電流為零，而且要求在高速開(kāi)關(guān)時(shí)仍具有以上特性，不需要開(kāi)關(guān)時(shí)間。但實(shí)際二極管作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用，并不是太理想的。因?yàn)槎O管正向?qū)〞r(shí)，其正向電阻和正向降壓均不為零;反向戳止時(shí)，其反向電阻也不是無(wú)窮大，反向電流也不為零。并且二極管開(kāi)、關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間.這就限制了它的開(kāi)關(guān)速度。因此作開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)選用正向電阻RF小、反向電阻RR大、開(kāi)關(guān)時(shí)間小的開(kāi)關(guān)二極管。