恒流二极管原理及特性

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2 N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3 N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=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+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS| 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5 vDS对iD的影响

设vGS值固定，且VP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=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，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：① 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iG≈0，输入阻抗很高。② 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。③ 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一定时，iD与VDS之间的变化关系，如图6。

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， VGS≤ VP，ID=0。（2）放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，│VGS -VDS │≥│VP│，VDS↑→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 -VDS│≤│VP│， VDS↑→ID， 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻。

转移特性表示vDS一定时，iD与vGS之间的变化关系。可直接从输出特性曲线上做图求出，如图7。

当|VGS - VDS |≥ | VP |后，管子工作在恒流区，VDS对iD的影响很小。实验证明，当|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：

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VH I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。

恒流二极管的主要参数有：恒定电流（I 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（α T，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 0.2～6mA）。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30～100V。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Z H降至数百千欧。电流温度系数由下式确定：αT=[(△IH /IH )/△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αT可以为正值，也可以是负值，视IH 值而定。一般讲，当IH ＜0.6mA 时，αT ＞0；当I

H＞0.6mA

时，αT＜0。因此，I H＜0.6mA的恒流管具有正的电流温度系数，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αT值伴随I 的变化既可为正，又可为负，通常就用绝对值表示。αT的单位是％／℃。

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3～5pF，其频率响应大致为0～500kHz。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。

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0～30V 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，当V ≥1.5V时管子进人恒流区，I =0.34～0.36mA，因此该管子的起始电压V =1.5V。当V=1.5～15V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=1.5～30V的范围内，I =0.34±0.03mA，变化率△I /I ＜8.9％。由此证明被测恒流二极管的恒流特性良好，在满足R <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 <（ 3 ）恒流二极管的正向击穿电压V (BO)一般为30～100V。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

（1）利用并联法扩流、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I H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。

（2）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。

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：

I H =(hFE+1)IH≈hFEIH

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V1，则恒流源的耐压值V2=V(BO) ＋V 1

2．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，其性能远优于双极型功率管。它具有输人阻抗高、驱动电流小、耐压高（最高可承受1200V 的高压）、工作电流大（1.5～100A）、输出功率高（1～250W）等优点。该恒流源电路能同时达到扩展恒定电流与提高工作电压之双重目的。在业余条件下，亦可用3

只3DD15型大功率晶体管并联后代替VMOS管，但是要求这些管子的hFE 值必须一致，并且要给每只管子加装合适的散热器。

恒流电源：