浅谈二极管在i产品中的应用

浅谈二极管在i产品中的应用

在这样一个进步时代，电子产品的更新每天都是不间断的，报纸也经常谈论。IT产品在当今社会有着很重要的位置。它是一个巨大生活资源,是人们生活的重要组成部分。任何人都可以从中获得信息,也可以从它的身上触摸到时代的脉搏。随着这些IT产品越来越深入我们的生活空间,我们的生活也变得越来越便捷。那么这些电子产品的本质是什么呢?毋庸置疑是电路。有人把软件比作IT产品的灵魂,那么硬件电路就是IT产品的躯壳,只有二者完美的结合,才能创造出更多先进的设备。硬件电路错综复杂,三极管在其中的应用有着举足轻重的作用,能否正确的使用三极管是一个电路的关键。1介绍父子部门1.1基区和发射区的分区晶体三极管是半导体基本元器件之一,具有电流放大作用,是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把正块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN两种,从三个区引出相应的电极,分别为基极b发射极e和集电极c。发射区和基区之间的PN结叫发射结,集电区和基区之间的PN结叫集电结。基区很薄,而发射区较厚,杂质浓度大,PNP型三极管发射区“发射”的是空穴,其移动方向与电流方向一致,故发射极箭头向里;NPN型三极管发射区“发射”的是自由电子,其移动方向与电流方向相反,故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。1.2成立开关的状态晶体三极管的三种工作状态:截止状态:当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压,基极电流为零,集电极电流和发射极电流都为零,三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极之间相当于开关的断开状态,我们称三极管处于截止状态。放大状态:当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并处于某一恰当的值时,三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置,这时基极电流对集电极电流起着控制作用,使三极管具有电流放大作用,其电流放大倍数β=ΔIc/ΔIb,这时三极管处放大状态。饱和导通状态:当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并当基极电流增大到一定程度时,集电极电流不再随着基极电流的增大而增大,而是处于某一定值附近不怎么变化,这时三极管失去电流放大作用,集电极与发射极之间的电压很小,集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。1.3电流不放大区工作让三极管工作在饱和区而不是放大或者截止区。这个就与三极管的ß值有关了。比如我们基极电流Id为0.5mA,那么当ß为250时,其Ic约为0.5mA*250=125mA,可能电路还可以提供这么大的电流,因此其将工作在放大区而无法工作在饱和导通状态,这点要特别注意。特别是基极电流的提供必须要让其正常的工作在饱和导通状态之下。在未饱和导通状态下,其CE间电压UCE会比饱和情况下的电压UCE(S)来的大(饱和导通CE间结阻抗最小,应此UCE最小),因此在同样电流大小的状态下,根据P=UI,可知饱和导通时其耗散功耗(Pdissipation)最小,反之,在未饱和时其功耗将比饱和时更大(尤其是DCDC的开关三极管,其E极直接到地,导通时将会通过较大电流),若超过其最大额定功耗值不仅会发热巨大,还可能毁坏三极管,这就是为什么我们要让开关三极管工作在饱和导通状态下的原因。23.开关设计2.1电子扩散的原因如上图,三极管Q6作为开关管通过开关来间接控制另一个PNP晶体管Q4的导通与截至。我们知道,晶体管做开关之用时,必须让其进入饱和状态,表现为:加大电流Ib,电流Ic也不会有多少增加,这表明管子已经进入饱和状态了。放大原理:我们知道在放大状态时是发射区的多子电子受到发射结正向电压(UBE)的影响而向基极扩散,同时基极少子电子浓度低于多子空穴(空穴对发射极电子的吸引)也是其向基区扩散的原因,当到达基区后,由于基区很薄,因此很容易就扩散到基区与集电极的接触边沿,这时受到电压UCE的影响,使这些电子以漂移运动的形式形成集电结电流IC。(集电极与集电结概念不同,集电极只是一个极,而集电结是集电极与基极形成的一个PN结,请区别。发射极与发射结的区别亦如此)。又由于基区空穴的数量少,且基区薄,因而只有一小部分电子与基区的空穴复合形成电流IB,大部分都漂过了基区,而形成了电流IC,这样就形成了小电流IB控制大电流IC的形式。在放大状态下,我们加大IB,就可使多子电子在单位时间更多的流到基区,进而形成IB的同时也形成IC,达到增大IC的目的(电流的定义就是单位时间流经横截面的电荷量),而基区的空穴毕竟数量有限,因此电子与空穴复合而成IB的电流毕竟也小,因此大部分还是形成了集电极电流IC。2.2深度饱和的影响饱和状态原理:当IB足够大后,单位时间到达基区与集电极边缘的电子的数量已呈极限,即使再加大UBE电压,其在单位时间进入集电极的电子数量已不能再增加,此时就进入了饱和状态。因为饱和状态时,单位时间进从基区进入集电极的少子电子数量已达最大值,故其电流IC不会再增大,因此此时对外呈现饱和导通状态(其实饱和我觉得就是指到达基区与集电极间的电子数量饱和了,不能再增多了,此时基区与集电极间的电流为最大),CE间的管降为PN结之间的结电阻所致,此时可以想象CE间的结电阻是最小了(在不改变UCE的情况下,让IC最大,自然可认为此时的RCE为最小了),因此CE间可看作全导通状态。可反过来想象,若工作在放大区,则IC达不到临界最大值,在UCE不改变的情况下,其CE间电阻也不是最小,因此就不是最佳的导通状态(属不完全导通)。深度饱和:当IB>>ICmax/ß时我们说其此管子进入了深度饱和状态,就是当加大IB使得IC到达最大临界值后,再继续加大IB,此时就进入了深度饱和。深度饱和对于要求开关速度的三极管来说影响较大,主要时影响三极管的开关速度。为什么深度饱和影响三极管开关速度呢?因为三极管是由PN结构成的,其有一定的容性特征(比如说NPN,就是两个PN结极类似两个极板,显示出容性),当深度饱和发生后使其容性更加明显,容性最明显的就是充放电,当深度饱和使其容性特征增强后,其带来的充放电时延就会大大影响开关管的开关速率,特别是在开启时间Ton,上升时间Trise,下降时间Tfall,以及关断时间Toff上都会收到明显的影响,因此深度饱和是绝对要避免的。为什么通常用两个电阻连接三极管?如上图,电阻R31是为了限流,限制流进IB的电流,避免进入深度饱和。而电阻R32与BE间并联,其有两个原因:第一因为三极管表现出一定容性,当基极控制电压关断后其可能还未完全截止,这时用电阻R32到地,这样多余的电荷就可以释放到地,并保持与地的等电势,这被称作泄放电路(P.S:当R32用做泄放电路使用时,R32最好不应取太大,毕竟低阻抗的泄放电路更有利于PN结泄放电荷,若R32太大也会使泄放电荷时延变长,但保持R32值不太大的同时亦要不致影响到IB,如果泄放电阻R32取小了,其分流掉部分IB电流,使得本应工作在饱和区的三极管又回到了放大区)。第二:有时候控制基极的引脚在截止后呈悬空高阻态,而悬空对与三极管基极来说是很容易收到干扰的,因此把基极通过电阻拉到地,保持其在截至后基极电位的确定性。为什么这两个电阻一大一小?首先电阻R31肯定是通过计算得出的(具体计算见下个问题),若是做快速开关则不能取太大也不能取太小,若只是做普通开关对开关速度要求不严格则取值可较为随意,大于临界标准即可。第二个电阻R32,可知其在饱和导通下两端电压值为0.7V,选取的标准是通过其的电流值不能影响到IB(因为通过其的电流是从IB分流而来的),比如若IB电流为0.5mA(因为UBE=0.7已知,R31阻值已确定,IB即可求出),那么选取R32的标准就是使通过R32的电流至少小于IB一个数量级,比如定为0.05mA以下。这两个电阻如何选取:对于这两个电阻的选取需经过计算。对于电阻R31的选取:Rc——集电极上串的电阻;IBS——基极临界饱和电流;ICS——集电极饱和电流;VCES——集射极饱和管压降。因此只要选用的电阻R31能使IB>Ibs,就可使其进入饱和导通状态。对于快速开关电路的三极管电阻R31,不能太大也不能太小,若R31选太大的情况:我前面说过PN结相当于电容器C,若加大R那么就会增大RC充放电的时间常数,延长RC充放电时间,对与开关速度影响较大。若R31选太小的情况:R31太小会造成进入深度饱和的状态,进而也影响到三极管的开关速度,当然此时可以通过减小集电极电阻Rc来使得饱和深度不会太深,因此要让管子开关速度快,应该使Ib略大于Ic/B,这样略超过饱和状态是最好的。2.3势垒电极的工作特点三极管饱和越深,其工作速度越慢。要提高电路的工作速度,就必须设法使三极管工作在浅饱和状态,为此,需采用抗饱和三极管,或者采用抗饱和电路。目前抗饱和电路常用肖特基二极管做抗饱和电路处理,如下图:抗饱和TTL电路是目前传输速度较快的一类TTL电路。这种电路由于采用肖特基势垒二极管SBD的钳位方法来达到抗饱和的效果,一般称为SBDTTL电路(简称STTL电路),其传输速度远比基本TTL电路为高。肖特基势垒二极管是一种利用金属和半导体相接触在交界面形成势垒的二极管。利用金属铝和N型硅半导体相接触形成的势垒二极管的工作特点如下:(1)它和PN结一样,同样具有单向导电性,这种铝-硅势垒二极管(Al-SiSBD)导通电流的方向是从铝到硅。(2)Al-SiSBD的导通阈值电压较低,约为0.4~0.5V,比普通硅PN结约低0.2V。(3)势垒二极管的导电机构是多数载流子,因而电荷存储效应很小。为了限制BJT的饱和深度,在BJT的基极和集电极并联上一个导通阈值电压较低的肖特基二极管,如上图所示。抗饱和原理:三极管在饱和导通之后其有两个指标:Ubesat(BE端饱和压降)与Ucesat(CE端饱和压降)。BE端饱和压降在0.7~0.85V之间,而肖特基二极管导通阀值较低,约