恒流二极管原理及特性

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

2、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(a) vGS丸的情况VPvGSQ的情况 vGSVP图4 VGS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=Q当栅-源电压vGS=O时，沟道较宽，其电阻较小，女口 图4(a)所示。当vGS0且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vG

3、S|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|vGS|进一步增大到一定值|VP| (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的控制， |vGS|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

4、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vDSvGS-VP 的情况图5 vDS对iD的影响设vGS值固定，且VPwGSvQ当漏-源电压vDS从零开始增大时，沟道中有 电流iD流过。由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道 内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道 内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为|vGD| )，即加到该处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，

5、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随vDS上升的速度趋缓。当vDS增加到vDS=vGS-VP即vGD=vG9DS=VP侠断电压)时，漏极附近的 耗尽层即在A点处合拢，

6、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工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vDSvGS- VP,即vGDc 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，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(用V(BR)DS表示)后，漏极一端P+N结上反向电 压将使

7、P+N结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过V(BR)DS从结型场效应管正常工作时的原理可知： 结型场效应管栅极与沟道之间 的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流iG0，输入阻抗很高。 漏极电流 受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。 预夹断前，即 vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性 相反。N沟道结型场效应管的电流-电压特效包括输出特性和转移特性。 输出特性 表示VGS 定时，iD与VDS之间的变化关系，如图6。预夹瑞轨迹Vss -0V0放大teiD=f(VD

8、S)&严 Ws -4VT I 1 I *4 6 8 10 12 vds图6输出特性从图上可看出，输出特性分为三个区，饱和区，放大区和截止区。（1）截止区（夹断区），如果VP= -4V, VGS= -4V以下区域就是截止区， VG仝VP ,ID=0。（ 2）放大区（恒流区）产生夹断后， VDS增大，ID不变的区域，丨VGS-VDS | | VP,| VDSt- ID不变，处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源。横流二极管正是栅源短接的结型场效应管结构，即结型场效应管工作 在耗尽区最窄，漏电流最大情况下的。（3）饱和区（可变电阻区），未产生夹 断时，VDS增大，ID随着增大的区域，| VGS-V

9、DSl | VP后，管子工作在恒流区,|VGS - VDS | | VP |时，iD可近似表示为：图7从输出特性曲线作图求出转移特性曲线。结型场效应管（JFET在电路图中的符号为：gN沟道JFETP沟道JFET一、恒流二极管的性能特点恒流二极管（CRD）属于两端结型场效应恒流器件。其电路符号和伏安特性 如图一所示。恒流二极管在正向工作时存在一个恒流区，在此区域内I不随VHI而变化；其反向工作特性则与普通二极管的正向特性有相似之处。恒流二极管 的外形与3DG6型晶体管相似，但它只有两个引线，靠近管壳突起的引线为正极。VDH（町电踣符号伏安特性 图一恂流二根连恒流二极管的主要参数有：恒定电流（I

10、H）,起始电压（饱和电压，V S）, 击穿电压（V（BO），动态阻抗（Z H），电流温度系数（aT，单位温度变化引起恒 定电流相对变化的百分比）。其恒定电流一般为0.26mA）。起始电压表示管子 进入恒流区所需要的最小电压。恒流二极管的正向击穿电压通常为30100V。动态阻抗的定义是工作电压变化量与恒定电流值变化量之比，对恒流管的要求是Zh愈大愈好，当I H较小时Zh可达数兆欧，I H较大时Zh降至数百千欧。电流 温度系数由下式确定：a=（ Ih /I H ）/ T*100% 式中的 I h、 T分别代表恒定电流的变化量与温度变化量。需要指出，恒流二极管的a可以为正值，也可以是负值，视Ih值而

11、定。一般讲，当Ih V 0.6mA时, a 0;当I h0.6mA时，aV0。因此，I h 0.6mA的管子则具有负的电流温度系数。假如某些管子的I h值略低于0.6mA，那么其a值伴随I的变化既可为正，又可为负，通常就用绝对 值表示。a的单位是/C。恒流二极管在零偏置下的结电容近似为 10pF，进人恒流区后降至35pF， 其频率响应大致为0500kHz。当工作频率过高时，由于结电容的容抗迅速减小， 动态阻抗就降低，导致恒流特性变差。常用的国产恒流二极管有 2DH系列，它分为2DH0、2DH00、2DH100、 2DH000四个子系列。三、检测恒流二极管的方法检测恒流二极管的电路如图三所示。E

12、是可调直流电源，向恒流二极管提供 工作电压Vi。用直流毫安表测量恒定电流Ih ,同时用一块直流电压表监测工 作电压Vi。当Vi从Vs 一直上升到Vbo时，Ih应保持恒定。电路中的Rl为负 载电阻。图三加说一服管也测曲路实际测量一只2DH04C型恒流二极管，其标称恒定电流Ih =0.4mA，正向 击穿电压Vbo=70V。采用如图三所示电路，由HT-1714C型直流稳压电源代替 E, 提供030V的工作电压。将两块500型万用表分别拨到直流1mA挡和2.5V(或 10V、50V挡)，测量Ih与Vi值。Rl选用10k欧电位器。首先把Rl调至零欧， 然后改变E值，可测得其特性参数。从实测数据可以得到，

13、当 V 1.5V寸管子进人恒流区，I =0.340.36mA， 因此该管子的起始电压 V =1.5V。当V=1.515V时，I恒定不变；当V=1.5 30V时，I最多只增加0.02mA，变化率小于5.9 %。然后将R从零欧调至10k欧，重复上述试验。在 V=1.530V的范围内，I =0.34 ).03mA，变化率厶I /I V 8.9 %。由此证明被测恒流二极管的恒流特性 良好，在满足R vZ之条件下，I随负载而变化。测量时需注意以下事项：(1 )测量恒流二极管时极性不得接反，否则起不到恒流作用，并且还容易烧 毁管子。(2 )由恒流二极管组成电路时，必须使 Rl Z h ,否则恒流特性无法保

14、证。(3 )恒流二极管的正向击穿电压 V(bo)般为30100V。利用兆欧表与直流 电压表能够测量V (BO)值。具体方法是将恒流二极管的正、负极分别接兆欧表的 E、L接线柱。然后按额定转速摇动兆欧表的手柄，使恒流二极管处于正向软击 穿状态，借助于直流电压表即可读出 V(BO)值。兆欧表的输出电压虽然可达几百 至几千伏，但其内阻很高，因此输出电流很小，不会损坏管子。一旦被测管子正 向击穿，兆欧表的输出电压 就被钳 位于击穿电压 上。用此法 实测上例中的 ZDH04C，V(bo)=72V，比规定值(70V)略高一点。测量时管子极性亦不得接反。 四、恒流管的应用1、扩展电流或电压的方法利用并联法扩

15、流、串联法升压使用一只恒流二极管只能提供几毫安的恒定电流，若将几只恒流管并联使 用，则可以扩大输出电流。例如 2DH5C型恒流管的Ih =5mA，两只管子并联后 为10mA，电流扩展了一倍。需要指出，将几只恒流二极管并联使用时，恒流源 的起始电压等于这些管子中的最大值，而正向击穿电压则等于这些管子中的最小 值。此外，在扩展电流的同时，恒流源的动态阻抗将变小。利用串联法可以提升电压。例如，将几只性能相同的恒流二极管串联使用， 可将耐压值提高到100V以上。假如每只管子的恒流值不等，那么恒流值较小的 管子将首先进人恒流状态。必要时可给 Ih值较小的管子并联一只分流电阻，使 各管子同时进人恒流状态。

16、 利用晶体管、场效应管进行扩流及升压扩流及升压电路分别如图四(a )、（b ）所示。m 扩Ji升图四是由晶体管JE9013和恒流二极管构成的扩流电路。设恒流管的恒定电流为 I h ； JE9013的共发射极电流放大系数为hFE，扩展后的恒流值由下式确定：h =（h fe+1）I hFfeIh由结型场效应管3DJ6与恒流二极管组成的升压电路如图四（b）所示。R1、 R2均为偏置电阻，阻值应取几十兆欧。令恒流二极管的正向击穿电压为 V（bo）, 结型场效应管的漏-源极击穿电压为Vi，则恒流源的耐压值 V2=V（bo）+V i同时进行扩流和升压某些情况下要求对恒流二极管同时进行扩流与升压，这时可采用如图五所示 的电路。现由NPN型高反压管 VT （3DG407 ）、恒流二极管2DH560、辅助电 源Eb构成扩流电路。2DH560的Ih =5.60mA，起始电压Vs =4.0V，设VT的 发射结压降Vbe = 0.65V, Eb应大于Vs与V be之和（4.65V ）。VD1和VD2为 温度补偿二极管。输出级采用 VMOS管，其栅极电压由稳压管 VDz1、VDz2和 电位器RP所决定。VMOS管属于高效场效应功率管，其性