第14卷 第3期 2002年5月
强激光与粒子束
H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S
V o l.14,N o.3
M ay,2002
文章编号: 100124322(2002)0320437204
强流电子束无箔二极管结构设计与特性研究Ξ
张永辉, 常安碧, 江金生, 陈洪斌, 康 强
(中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900)
摘 要: 主要叙述高功率二极管的理论模型和结构设计,采用基于引导磁场和相对论近似情况下的空间
电荷限制流模型,对磁浸没无箔二极管产生的空心相对论电子束进行了动态数值模拟,研究了二极管几何结构
及引导磁场对二极管束流特性的影响。
关键词: 电子束; 无箔二极管; 引导磁场; 数值模拟
中图分类号: TN321 文献标识码: A
强流电子束二极管把脉冲形成线提供的高压脉冲功率转换为电子束功率[1,2],是高功率微波源的一个关键部件。只有产生高质量的高功率电子束,才有可能实现高效率的束波转换,进而产生高功率微波。对于磁绝缘无箔二极管,由于外加轴向磁场的作用,二极管内部的物理过程相当复杂,包括电子的运动、爆炸发射形成的阴极等离子体的发展、二极管内电磁场的变化等,都不可能给出精确的解析解,有关无箔二极管的理论研究大多是在理想的极限条件下,利用一系列简化处理进行的,不能将上述所有因素都考虑进去,因此只能给出二极管行为的一些定性规律。但这些规律往往能给二极管设计和实验提供一定的参考,协助二极管的工程设计及实验操作。
1 无箔二极管的理论模型[2～5]
无箔二极管理论模型主要有两种,第一种是实心束无箔二极管,即二极管阴极产生的电子束是实心的。按照该模型,二极管空间电荷限制流I l可由下式近似给出
I l=m0c3
e
(Χ2 30-1)3 2
1+2ln(R A r2)
(1)
式中:R A和r2分别是漂移管阳极半径和阴极外半径;Χ0=1+e V0 m e c2,其中V0为二极管阴阳极间隙电压,m e 为电子质量;c为光速,e为电子电荷量。
第二种模型是环形束无箔二极管,即二极管阴极产生的电子束是空心的,在引导磁场的作用下沿着漂移管的内侧以螺旋状向前运动。该二极管模型产生的空间电荷限制流I l为
I l=(Χ2 30-1)3 2m0c3
e
1+2ln
R A
r2
-
2r21
r22-r21
ln
r2
r1
-1
(2)
式中r1,r2分别是二极管阴极内外半径。
这两种模型的无箔二极管都需要外加引导磁场以控制束流的扩散,引导束流传输并进入微波器件中的互作用区。第二种模型的二极管产生的环形电子束空间电荷限制流明显大于实心束模型。因此,在微波器件实验中常常使用环形电子束,一方面是因为环形电子束可以传输大的电流强度,另一方面是因为环形电子束可以以更高的效率在微波器件中进行束波互作用。
在我们的设计中,采用第二种理论模型,即基于引导磁场和环形电子束的空间电荷限制流模型进行理论计算。这种磁浸没阴极发射的电子束流沿磁力线方向运动,但束流受空间电荷限制流的限制。
经计算,我们设计的二极管的阴极束流远小于空间电荷限制流。因此,所设计的二极管结构传输3kA电流是不受空间电荷限制流限制的。
阴极发射电流由下式确定:如果空心束的厚度hνr1,则
Ξ四川省电子学会第二届高能电子学学术交流会优秀论文。
收稿日期:2001209221; 修订日期:2001212225
基金项目:国家863激光技术领域资助课题(86324102723)
作者简介:张永辉(19732),男,硕士,主要从事高功率脉冲功率技术研究工作;绵阳91921015信箱。
I =17r b (Χ2 30-1)3 2R A -r 2ln 8(R A -r 2)h -1(3)
式中r b =(r 1+r 2) 2。
2 二极管结构设计
二极管结构设计包括阴阳极结构与绝缘子结构两方面。合理的设计不但可以降低绝缘子表面及三相交界处的电场强度,提高输出束流强度及其稳定性,而且可以延长绝缘子使用寿命[6]。
F ig .1 Geom etric model of the fo illess di ode
图1 无箔二极管几何模型
对于绝缘子的结构设计,主要是从降低绝缘子表面
电场强度和减小回流电子对绝缘子的轰击方面进行优化
考虑,同时还要结合阴极形状来具体设计。由文献[7,8]
知,两个平板电极之间的绝缘子侧面与电极成45°角时,
绝缘子表面闪络耐压高。因此,在所设计的同轴无箔二极
管中,绝缘子也采用这种形状。
二极管阴阳极结构决定着二极管内的电场分布,同时也决定着二极管的束流特性。图1中R 为阴极锥形底半径,?为阴极到阳极室壁的距离,L A
2K 为阴阳极纵向间
距,a 为阴极头端面厚度,r 1,r 2分别为阴极头内外半径,R A 为漂移管半径,?为电子束到漂移管管壁的距离。 阴极形状对二极管电场的影响非常明显,因此它对改善绝缘子表面电场具有重要作用。在理论计算中,将绝缘子的沿面取为近似直线型,计算结果如图2所示。
F ig .2 V arieties of equi po tential line on the insulato r surface
图2 绝缘子表面等势线随阴极锥形底半径的变化曲线
可见,在绝缘子沿面上电力线的分布在阴极的抬升下逐渐变得均匀,大大减小了绝缘子、阴极及真空三结合点的电场强度,有效地阻止了绝缘子的表面闪络及真空击穿。当阴极锥形底最大半径R K 取为7.45c m 时,绝缘子沿面及三相结合点的径向电场达到最小(～30kV c m ),见图3。
在计算中,电子发射采用E n =0条件下的自洽空间电荷限制流模型,引导磁场由螺线管产生,可以通过调节螺线管的安匝数及螺线管位置来调节磁场大小和形状。二极管电流及束流品质等参数分别在近阴极和远阴极区进行诊断。
3 二极管引导磁场的设计及其对束流特性的影响
二极管引导磁场的设计与阴阳极结构的设计是紧密相关的。本文拟采用阴极磁沉浸同轴无箔二极管,即将阴极浸没在一均匀的轴向磁场中,由阴极发射出来的电子将沿磁力线运动。
图4所示二极管将产生环形电子束(因为轴线上的轴向电场较低),为使发射均匀,阴极环厚度不能超过阴阳极间隙宽度,即
r 2-r 1 (4) 由磁隔离判据可估算出引导磁场的大小。电子最大的径向偏移为 s =2Χ0m e E r e B 20(5) 为估计最小的B 0值,取s =d r ,E r ～V 0 d r ,则有B 0≥(2Χ0m e V 0 ed 2r )1 2=m e c ed r [2Χ0(Χ0- 1)]1 2(6)834强激光与粒子束 第14卷 F ig .3 R adial electric 2field of the di ode 图3 二极管径向电场F ig .4 D i ode structure and electron beam character 图4 二极管阴阳极结构及电子束特征 式中:Χ0=1+e V 0 m e c 2。对于相对论性较强的电子束,阳极处电子发散角为 ?Η=v r c ≈E r B 0(7) 可见要产生低发散度的电子束,必须使用较强的外加磁场,使阴极发射的电子在电磁场的作用下不越过电极间隙。 当取L A 2K =0.5c m ,阴极所加电压为400kV 的情况下,改变螺线管的安匝数及磁场线圈电流值,模拟计算了不同磁场时的束流特性。 F ig .5 E lectron beam current as a functi on of the m agnetic 2field 图5 二极管束流随磁场变化曲线 图5为二极管束流随磁场的变化曲线,由图可以 看出,当初始磁场值小于临界磁场时,从阴极杆侧面及 阴极头发射的电子的回旋半径大于阴阳极径向间隙, 有很大一部分电子打到阳极而被吸收,因此引出的电 子束流很小。随着外磁场强度的增加,从阴极头发射的 电子和越来越多的从阴极杆侧面发射的电子通过阳极 漂移管被引出来,束流随之增加。当磁场达到临界值 时,二极管束流达到最大。以后随着磁场的增大,电子 回旋半径减小,束流厚度逐渐变薄。当磁场过大时,由 于许多从阴极杆侧面发射出来的电子又回到阴极杆上,因此二极管束流又逐渐减小。当磁场大到一定程度 时,阴极杆上发射的电子可以忽略不计,二极管束流主要由阴极端头发射的电子束提供,因此,二极管束流最终稳定在一个相对比较固定的值。 4 二极管几何参数对束流的影响 4.1 阴阳极纵向间距L A -K 的影响 在模拟时给阴阳极加电压500kV ,磁场确定为2.21T ,阳极漂移管半径R A 取为1.5c m ,阴极外半径r 2取为1c m ,环状阴极端头厚度a 取为0.3c m 。模拟结果由图6给出。可以看出,束流随L A 2K 的增大而减小。当L A 2K 较小和较大时,束流趋于稳定。这是因为当L A 2K 很小时,二极管束流和阻抗由电子束厚度和阴阳极径向间隙距离?确定;当L A 2K 较大时,由阴极杆到阳极的距离?决定,这时,阳极收缩段的影响可以忽略。在中间区域,随着L A 2K 的增加,阴阳极间隙也在增加,阴极发射面的电场强度相应降低,因此发射束流降低。而二极管阻抗的变化正好与束流变化相反。在实际工作中,我们可以通过调节L A 2K 值来调节二极管的阻抗。 4.2 束流与漂移管间距?对束流的影响 改变阳极漂移管半径R A 及阴极外半径r 2的值可以改变?。物理参数与前面相同,只改变?的大小,由图7可以发现,二极管输出束流随?的增加而减小。 5 结束语 通过上述对二极管束流输出特性的分析,使我们对强流电子束无箔二及管特性有了更进一步的认识,对二极管引导磁场的设计有了理论参考。在此基础上,我们进一步对二极管的几何结构及引导磁场进行了优化设 9 34第3期张永辉等:强流电子束无箔二极管结构设计与特性研究 F ig.6 E lectron2beam current as a functi on of the change of L A2K 图6 二极管束流随阴阳极纵向间隙L A2K 的变化F ig.7 E lectron2beam as a functi on of the change of? 图7 束流与漂移管间距?对束流的影响 计,各项指标在理论上都达到了设计要求,为后边的实验工作奠定了基础。 参考文献: [1] Pai S T,Q i Z.Introducti on to h igh pow er pulse techno logy[M].L ondon:P ress of W o rld Scientific,1995. 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Structure design and character istic of h igh-curren t electron-beam fo illess d iode ZHAN G Yong2hu i, CHAN G A n2b i, J I AN G J in2sheng, CH EN Hong2b in, KAN G Q iang (Institu te of A pp lied E lectron ics,CA E P,P.O.B ox91921015,M iany ang621900,Ch ina) Abstract: T he theo retical models and the structu re design s of the h igh pow er di ode are described in th is paper.T he in su2 lato r,the structu re of cathode and anode,the gu ide m agnetic2field are analyzed and calcu lated in detail.T he space charge li m ited cu rren t model,based on gu ide m agnetic2field and theo ry of relativity app rox i m ati on,is u sed to si m u late the relativity electron2 beam and study the influence of di ode structu re and gu ide m agnetic2field on the characteristic of fo illess di ode beam2cu rren t. Key words: electron2beam; fo illess di ode; gu ide m agnetic2field; num erical si m u lati on 044强激光与粒子束第14卷 第25卷 第12期 无 机 材 料 学 报 Vol. 25 No. 12 2010年12月 Journal of Inorganic Materials Dec. , 2010 收稿日期: 2010-03-22; 收到修改稿日期: 2010-05-31 基金项目: 国家自然科学基金(50671042); 应用光学国家重点实验室开放基金; 江苏大学科技创新团队及高级人才基金(07JDG032) National Nature Science Foundation of China (50671042); Opening Foundation of State Key Laboratory of Applied Optices; Jiangsu University Science Foundation (07JDG032) 作者简介: 王雪涛(1985?), 男, 硕士研究生. E-mail: hylhb-syu@https://www.doczj.com/doc/1710601347.html, 通讯联系人: 关庆丰, 教授. E-mail: guanqf@https://www.doczj.com/doc/1710601347.html, 文章编号: 1000-324X(2010)12-1313-05 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2010.01313 强流脉冲电子束作用下单晶硅表层缺陷与结构变化 王雪涛1, 关庆丰1, 顾倩倩1, 彭冬晋1, 李 艳1, 陈 波2 (1. 江苏大学 材料学院, 镇江 212013; 2. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 长春 130033) 摘 要: 为了研究超快变形诱发的非金属材料的微观结构状态, 利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对单晶硅进行了辐照处理, 并用透射电镜对电子束诱发的表层微观结构进行了分析. 实验结果表明, HCPEB 辐照后单晶Si 表层形成了丰富的缺陷结构, 互相平行的螺位错和外禀层错是辐照后最为典型的缺陷结构; 同时HCPEB 辐照还诱发了密度很高的包括位错圈和SFT 在内空位簇缺陷, 幅值极大和应变速率极高的表面应力导致的{111}面整体位移可能是大量空位簇缺陷形成的根本原因. 此外, HCPEB 处理可在单晶Si 表面形成纳米和非晶混合结构. 关 键 词: 强流脉冲电子束; 单晶硅; 结构缺陷; 空位簇 中图分类号: O77 文献标识码: A Defects and Microstructures in the Surface Layer of Single-crystal Silicon Induced by High-current Pulsed Electron Beam WANG Xue-Tao 1, GUAN Qing-Feng 1, GU Qian-Qian 1, PENG Dong-Jin 1, LI Yan 1, CHEN Bo 2 (1. College of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China) Abstract: In order to investigate the microstructures of nonmetallic material induced by high-speed deformation, the high-current pulsed electron beam (HCPEB) technique was used to irradiate the single-crystal silicon. The sur-face microstructures induced by electron beam were studied by transmission electron microscope (TEM). The ex-perimental results showed that a large number of defect structures were formed by the HCPEB irradiation. Among them, the typical defect structures were the parallel screw dislocations and the extrinsic stacking faults. In the meantime, the HCPEB irradiation induced high density of vacancy cluster defects. The surface stress with very high value and strain rate led to the integral shift of (111) crystal plane, which might be the dominating reason of the formation of the massive vacancy cluster defects. In addition, the mixtures of nanocrystal and amorphous in the surface of single-crystal silicon can be formed by HCPEB technique. Key words: high-current pulsed electron beam; single-crystal silicon; structure defects; vacancy clusters 由于材料加工技术方面的限制, 人们对某些极限条件下(如超快变形)材料的行为了解不多, 使得这些极限加工条件方面的研究成为当今科技发展的前沿领域. 因此, 开展极限条件下材料的结构特征 与性能研究, 对于更好地控制这些极限加工行为、预测材料在极限条件下的使役寿命、改变材料的物理与机械性能是至关重要的. 强流脉冲电子束辐照是一种极限加工技术, 它 二极管伏安特性曲线的研究 一、实验目的 通过对二极管伏安特性的测试，掌握锗二极管和硅二极管的非线性特点，从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础。 二、伏安特性描述 对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过(多数载流子导电)，随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时(锗管为0.2V左右，硅管为0.7V左右)，电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。 对上述二种器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。 二极管伏安特性示意图1-1，1-2 图1－1锗二极管伏安特性图1－2硅二极管伏安特性 三、实验设计 图1-3 二极管反向特性测试电路 1、反向特性测试电路 二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。测试电路如图1-3，电阻选择510Ω 2、正向特性测试电路 二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。电源电压在0～10V内调节，变阻器开始设置470Ω，调节电源电压，以得到所需电流值。 图1-4 二极管正向特性测试电路 四、数据记录 见表1-1、1-2 表1-1 反向伏安曲线测试数据表 表1-2 正向伏安曲线测试数据表 注意：实验时二极管正向电流不得超过20mA。 五、实验讨论 1、二极管反向电阻和正向电阻差异如此大，其物理原理是什么？ 2、在制定表1－2时，考虑到二极管正向特性严重非线性，电阻值变化范围很大，在表1－2中加一项“电阻修正值”栏，与电阻直算值比较，讨论其误差产生过程。 齐纳二极管和肖特基二极管 肖特基二极管（Schottky）SBD是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称。低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。中、小功率肖特基整流二极管大多采用封装形式。 SBD的结构及特点使其适合于在低压、大电流输出场合用作高频整流，在非常高的频率下（如X波段、C波段、S波段和Ku波段）用于检波和混频，在高速逻辑电路中用作箝位。在IC中也常使用SBD，像SBD TTL集成电路早已成为TTL 电路的主流，在高速计算机中被广泛采用。 反向恢复时间 现代脉冲电路中大量使用晶体管或二极管作为开关, 或者使用主要是由它们构成的逻辑集成电路。而作为开关应用的二极管主要是利用了它的通(电阻很小)、断(电阻很大) 特性, 即二极管对正向及反向电流表现出的开关作用。二极管和一般开关的不同在于,“开”与“关”由所加电压的极性决定, 而且“开”态有微小的压降V f,“关”态有微小的电流I 0。当电压由正向变为反向时, 电流并不立刻成为(- I 0) , 而是在一段时间ts 内, 反向电流始终很大, 二极管并不关断。经过ts后, 反向电流才逐渐变小, 再经过tf 时间, 二极管的电流才成为(- I 0) , 如图1 示。ts 称为储存时间, tf 称为下降时间。tr= ts+ tf 称为反向恢复时间, 以上过程称为反向恢复过程。 这实际上是由电荷存储效应引起的, 反向恢复时间就是存储电荷耗尽所需要的时间。该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当做开关使用。如果反向脉冲的持续时间比tr 短, 则二极管在正、反向都可导通, 起不到开关作用。因此了解二极管反向恢复时间对正确选取管子和合理设计电路至关重要。 齐纳二极管 齐纳二极管zener diodes(又叫稳压二极管它的电路符号是:此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。 齐纳二极管不同于锗二极管的是：如果反向电压，有时简称为“偏压”增加到某个特殊值，对于一个微小偏压的变化，就会使电流产生一个可观的增加。引起这种效应的电压称为“击穿”电压或“齐纳”电压。2DW7型管的击穿电压在5．8－6．5V之间，极大电流是30mA。 1、某水轮机进行效率试验时测得的读数如下：水轮机进口压力表的读数为6.3kg/cm2，装压力表处的钢管直径为6m ，压力钢管中心高程为90 m ，压力表距钢管中心距离为3.5m 。水轮机的流量Q 为270m3/s ，下游尾水位高程为97m ，发电机出力为1.5╳105kW ，发电机的效率97.5%f η=。求该工况下水轮机的效率。 ()()2 2 22122 22 1122111 22212125=02270 9.556229.55==4.65229.8122=4.6590 3.5630097=64.15 1.51097.5%9.81270a n P P V g Q V m s D V m g V P V P H E E Z Z g g m P P αγγππαααγγη≈===???? ? ??????????=-=++-++ ? ? ????+++-++?==??解：将水轮机出口断面取在下游断面，则，=0.905 64.15 2、已知某水电站装有ZZ440-LH-800型水轮机，设计流量Q=490m3/s ，设计水头为21米，额定转速为60rpm ，叶片出口角0227β=，轮毂直径10.5B d D =，容积效率98%v η=，水力效率95.2%h η=。试绘制该工况下水轮机进、出口水流速度三角形，并求进口角。 ()()()11212222212220 20222211221860 25.133/60 6049098% 12.738/111844412.738 25.1330.133/tan tan 2712.738tan 890.133 1 1 2195.2%25.13325.9.8 m m B m u m u s u u u D n U U m s Q V V m s K D d V V U m s V V H U V U V g V ππππβααη??== = =?== = =-???-=-=-===== -?=-，得() 1011110 111111330.1337.928/12.738 tan 587.928 12.738 tan 3725.1337.928 u m u m u V m s V V V U V ααββ?===== ==--，得，得 齐纳二极管 齐纳二极管(又叫稳压二极管)，此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。 齐纳二极管不同于锗二极管的是：如果反向电压，有时简称为“偏压”增加到某个特殊值，对于一个微小偏压的变化，就会使电流产生一个可观的增加。引起这种效应的电压称为“击穿”电压或“齐纳”电压。2DW7型管的击穿电压在5．8－6．5V之间，极大电流是30mA。 肖特基二极管 肖特基（Schottky）二极管又称肖特基势垒二极管（简称SBD），它属一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等肖特基（Schottky）二极管又称肖特基势垒二极管（简称SBD），它属一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电 路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通讯电源、变频器等中比较常见。供参考。电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通讯电源、变频器等中比较常见。供参考。 我知道的一个应用是在BJT的开关电路里面, 通过在BJT上连接Shockley二极管来箝位,使得晶体管在导通状态时其实处于很接近截至状态.从而提高晶体管的开关速度.这种方法是74LS,74ALS, 74AS等典型数字IC TTL内部电路中使用的技术. 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊的面接触型硅晶体二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图1所示。稳压二极管的特性曲线与普通二极管基本相似，只是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。稳压二极管的正常工作范围，是在伏安特性曲线上的反向电流开始突然上升的部分。这一段的电流，对于常用的小功率稳压管来讲，一般为几毫安至几十毫安。 (a)符号(b)伏安特性(c)应用电路图1 稳压二极管的伏安特性 IGBT的动态特性与静态特性的研究 IGBT动态参数 IGBT模块动态参数是评估IGBT模块开关性能如开关频率、开关损耗、死区时间、驱动功率等的重要依据，本文重点讨论以下动态参数：模块内部栅极电阻、外部栅极电阻、外部栅极电容、IGBT寄生电容参数、栅极充电电荷、IGBT开关时间参数，结合IGBT模块静态参数可全面评估IGBT芯片的性能。RGint：模块内部栅极电阻: 为了实现模块内部芯片均流，模块内部集成有栅极电阻。该电阻值应该被当成总的栅极电阻的一部分来计算IGBT驱动器的峰值电流能力。 RGext：外部栅极电阻： 外部栅极电阻由用户设置，电阻值会影响IGBT的开关性能。 上图中开关测试条件中的栅极电阻为Rgext的最小推荐值。 用户可通过加装一个退耦合二极管设置不同的Rgon和Rgoff。 已知栅极电阻和驱动电压条件下，IGBT驱动理论峰值电流可由下式计算得到，其中栅极电阻值为内部及外部之和。 实际上，受限于驱动线路杂散电感及实际栅极驱动电路非理想开关特性，计算出的峰值电流无法达到。 如果驱动器的驱动能力不够，IGBT的开关性能将会受到严重的影响。 最小的Rgon由开通di/dt限制，最小的Rgoff由关断dv/dt限制，栅极电阻太小容易导致震荡甚至造成IGBT及二极管的损坏。Cge：外部栅极电容： 高压IGBT一般推荐外置Cge以降低栅极导通速度，开通的di/dt及dv/dt被减小，有利于降低受di/dt影响的开通损耗。 IGBT寄生电容参数： IGBT寄生电容是其芯片的内部结构固有的特性，芯片结构及简单的原理图如下图所示。输入电容Cies及反馈电容Cres是衡量栅极驱动电路的根本要素，输出电容Coss限制开关转换过程的dv/dt，Coss造成的损耗一般可以被忽略。 半导体二极管伏安特性的研究 P101 【实验原理】 1.电学元件的伏安特性 在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与其两端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。一般以电压为横坐标，电流为纵坐标作出元件的电压-电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。 对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比，即其伏安特性曲线为一通过原点的直线，这类元件称为线性元件，如图3-1 的直线a。至于半导体二极管、稳压管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线，这类元件称为非线性元件，如图3-1 的曲线b、c。伏安法的主要用途是测量研究非线性元件的特性。一些传感器的伏安特性随着某一物理量的变化呈现规律性变化，如温敏二极管、磁敏二极管等。因此分析了解传感器特性时，常需要测量其伏安特性。 图 3–1 电学元件的伏安特性 在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的电 压和通过的电流均不超过元件允许的额定值。此外，还必须了解测量时所需其他仪器的规格（如电源、电压表、电流表、滑线变阻器、电位器等的规格），也不得超过仪器的量程或使用范围。同时还要考虑，根据这些条件所设计的线路，应尽可能将测量误差减到最小。 测量伏安特性时，电表连接方法有两种：电流表外接和电流表内接，如图3-2 所示。 （a）电流表内接；（b）电流表外接 图 3–2 电流表的接法 电压表和电流表都有一定的内阻（分别设为R v和R A）。简化处理时可直接用电压表读 齐纳二极管(稳压二极管)工作原理及主要参数 齐纳二极管也叫稳压二极管.一般二极管处于逆向偏压时，若电压超过PIV(逆向峰值电压)值时二极管将受到破坏，这是因为一般二极管在两端的电位差既高之下又要通过大量的电流，此时所产生的功率所衍生的热量足以使二极管烧毁。 齐纳二极管就是专门被设计在崩溃区操作，是一个具有良好的功率散逸装置，可以当做电压参考或定电压组件。若利用齐纳二极管作为电压调节器，将使附载电压保持在Vz附近且几乎唯一定值，不受附载电流或电源上电压变动影响。一般二极管之崩溃电压，在制作时可以随意加以控制，所以一般齐纳二极管之崩电压(Vz)从数伏特至上百伏特都有。一般齐纳二极管在特性表或电路上除了标住Vz外，均会注明Pz也就是齐纳二极管所能承受之做大功率，也可由Pz=Vz*Iz 换算出奇纳二极管可通过最大电流Iz。dz3w上有个在线计算器,电路设计时可以用来计算稳压二极管的相关参数. 齐纳二极管工作原理 齐纳二极管主要工作于逆向偏压区，在二极管工作于逆向偏压区时，当电压未达崩溃电压以前，二极管上并不会有电流产生，但当逆向电压达到崩溃电压时，每一微小电压的增加就会产生相当大的电流，此时二极管两端的电压就会保持于一个变化量相当微小的电压值(几乎等于崩溃电压)，下图为齐纳二极管之电压电流曲线，可由此应证上述说明。 齐纳二极管(又叫稳压二极管)它的电路符号是:此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。 在通常情况下，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直 齐纳二极管 齐纳二极管的主要作用就是当作一种电压调整器，QLCO-A146提供稳定的参考电压，可应用在电源供应器、电压表与其他的仪器中。齐纳二极管的符号如图3.1所示。齐纳二极管是一种硅pn结元件，它和整流二极管不同，因为它是设计用于反向击穿区。齐纳二极管的击穿电压，可在生产制造时仔细控制掺杂的程度加以设定,其伏安特性曲线如图3.2，一般整流二极管和齐纳二极管的工作区域，是以阴影区域表示。假如齐纳二极管处于正向偏压，它就如同整流二极管一般。 齐纳击穿 齐纳二极管是设计用于反向击穿区。齐纳二极管的反向击穿有两种类型，就是累增击穿和齐纳击穿。齐纳击穿则是齐纳二极管在低反向偏压时发生。如果齐纳二极管经过大量掺杂，就可降低击穿电压。这样可以产生很薄的耗尽区,结果就可在耗尽区产生很强的电场,从而导致隧道效应。当接近反向击穿电压(Vz)时，电场的强度足够将电子拉离价带，因而产生大量的电流。齐纳二极管的击穿电压若约小于5V，就会工作于反向击穿区。而那些高于5V击穿电压的齐纳二极管，则是工作于累增击穿区,两种类型都称为齐纳二极管。 击穿特性 图3.3显示齐纳二极管的特性曲线的反向偏压部分。请注意当反向偏压(VR)增加，反向电流(IR)-直到曲线的膝点之前都仍然维持非常小。此时的反向电流又称为稳定电流。在这一点，击穿效应开始出现，内部的电阻值，也称为动态阻抗(Zz)，随着反向电流快速增加而开始降低。从膝点以下，反向击穿电压(vz)基本上维持定值，即使当稳定电流增加也只些微地增加。 这种能够维持两端之间反向电压不变的能力，就是齐纳二极管的关键特性。当齐纳二极管工作在击穿区时就像一个电压调整器，因为它在特定的反向电流范围内，两端的电压几乎维持在固定值。为了调整电压，要让二极管维持在击穿区工作，就必须保持反向电流在最低值。可以从在图3.3中的曲线看出，当反向电流阵低到曲线的膝点以下，电压会急速地下降，因此丧失调整电压的功能。同时，当二极管的电流超过最大值IZM时，二极管可能会因为过量的功率消耗而损毁。所以，基本上当齐纳二极管的反向电流值在IZK～IZM的范围内，它在两端之间会维持接近定值的电压。通常资料表中所指的稳定电压，是指当反向电流为齐纳测试电流时的电压。 齐纳等效电路 图3.4(a)显示齐纳二极管在反向击穿区的理想模型。它拥有等于齐纳电压的定值电压降。这个定值电压降可用一个直流电压源加以表示，事实上虽然齐纳二极管并不会产生一个电动势 保证出力与额定出力之间有什么关系，他们之间的区别是什么？分别怎样计算？ 保证出力指的是机组在各个运行水头稳定运行的出力范围。有最大保证出力，也有最小保证出力。各种机型的保证出力是不一样的。比如混流式的保证出力定义是：在最小到最大水头范围内水轮机出力是45~100%。那么最大保证出力就是某水头时的100%，最小出力为最大出力的45%。保证出力受能量性能（效率），气蚀等诸多因素的影响。例如，某水轮机出力在设计水头下为8333kw，那么，在这个水头下最大出力就8333kw,最小出力就是8333X45%=3750kw.。以上最大最小出力在行业规范中有具体的规定。额定出力是指机组在最优工况点的出力（既选择的运转特性曲线上效率最大点的水头和流量）。设计出力指的是在设计点的出力（设计水头，设计流量，设计效率）。 出力计算公式：N=9.81QHη（千瓦） 其中：9.81是水的比重常数 Q—通过水轮机的流量（立方米/秒） H—水轮机的工作水头（米） η—水轮机的工作效率（％） 水轮机的线型特性曲线可用转速特性曲线、工作特性曲线及水头特性曲线三种不同形式表示。线型特性曲线具有简单、直观等特点，所以常用来比较不同型式水轮机的特性。 一、转速特性曲线 转速特性曲线表示水轮机在导水叶开度、叶片转角和水头为某常数时，其他参数与转速之间的关系。在水轮机的模型试验中，常规的做法是保持一定的水头，通过改变轴上的负荷（力矩）来改变转速，达到调节工况的目的。故整理模型试验的数据时，以转速特性曲线最为方便，水轮机的其他特性曲线，实际上都是从转速特性曲线换算而得。 如图下图所示。由水轮机转速特性曲线可以看出水轮机在不同转速时的流量、出力与效率，还可以看出水轮机在某开度时的最高效率、最大出力及水轮机的飞逸转速。 第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.5 2002年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2002 文章编号:100124322(2002)0520778205 不同入射角度下强流脉冲电子束 能量沉积剖面和束流传输系数模拟计算Ξ 杨海亮, 邱爱慈, 张嘉生, 黄建军, 孙剑锋 (西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘 要: 强流脉冲电子束在材料中的能量沉积剖面、能量沉积系数和束流传输系数受其入射角的影响很 大,理论计算了0.5～2.0MeV的电子束以不同的入射角在Al材料中的能量沉积剖面和能量沉积系数,并且还 计算了0.4～1.4MeV电子束以不同入射角穿透不同厚度C靶的束流传输系数。计算结果表明,随着入射角的 增大,靶材表面层单位质量中沉积的能量增大,电子在靶材料中穿透深度减小,能量沉积系数减小,相应的束流 传输系数也减小;能量为0.5～2.0MeV的电子束当入射角在60°～70°时在材料表面层单位质量中沉积的能量 较大。 关键词: 电子束;入射角;电子输运;能量沉积;束流传输系数 中图分类号:O562.5;O571.1 文献标识码:A 固体靶受到强流脉冲电子束辐照时,其表层会沉积大量能量,使材料处于高温高压状态,产生各种热力学效应[1],这与X射线对材料和结构的辐照效应基本相同[2,3],对于强流脉冲电子束在材料中产生的辐照效应已有较多研究[4,5],但有关电子束入射角对能量沉积剖面影响方面的研究则很少。垂直入射电子束的能量沉积剖面存在峰值,且峰值位于靶前表面一定深度处,这与X射线的能量沉积剖面是有差别的,垂直入射的温度为几keV的黑体辐射X射线能量沉积剖面最大值几乎位于辐照靶的前表面处,绝大部分能量沉积在0～100μm 的表面层之内,形成从表面层向内大致呈指数规律下降的能量沉积分布[6]。而以一定角度入射的电子束的能量沉积剖面峰值随入射角的增大逐渐移向前表面处,与X射线在材料中的能量沉积剖面比较接近,因此,可以通过选择合适的束流入射角和电子束能量使电子束在材料中的能量沉积剖面更接近垂直入射的X射线的能量沉积剖面。 本文利用蒙特卡罗程序[7]模拟计算了0.5～2.0MeV的电子束以不同的入射角在Al材料中的能量沉积剖面和能量沉积系数。利用多个Rogowski线圈测量电子束穿透不同厚度C靶的束流传输系数可以确定电子束的入射角,因此本文也计算了0.4～1.4MeV的电子束以不同的角度入射到C靶中的束流传输系数,得到了不同入射角度下的电子能量与束流传输系数曲线。 1 计算方法 电子在介质中输运主要受到库仑力的作用,这包括电子与靶原子核外电子的非弹性碰撞而导致的电离和激发,电子与靶原子核的非弹性碰撞而导致的轫致辐射,电子与靶原子核的弹性碰撞导致的电子散射等。这三种作用都会改变入射电子的运动方向,并且前两种作用还会明显导致入射电子的能量损失,即碰撞能量损失和辐射能量损失。 由于库仑相互作用的存在,电子与中子或光子等中性粒子的输运行为具有本质的不同,电子在介质中的历史比中性粒子要复杂得多。中性粒子的输运行为以相对不频繁的独立碰撞之间的自由飞行为主要特征,而电子的输运则以长程库仑相互作用为主而导致的大量小碰撞为主要特征,电子在它的轨迹长度内的碰撞次数是惊人的,光子的Compton散射,能量从几MeV降到50keV,仅需20～30次,而电子能量从0.5MeV降到0125MeV约需104次。为了减少计算量,在利用蒙特卡罗方法计算电子的输运过程中必须采用压缩历史法,即把真实的物理上随机游动划分为若干历史阶段,每一个历史阶段包括好多次游动,也就是说,把好多次随机碰撞合并为一次碰撞,作为一步游动处理。而这一步的能量和飞行方向的转移概率由近似的多次散射理论给 Ξ收稿日期:2001210211; 修订日期:2002206206 基金项目:国防预研基金资助课题 作者简介:杨海亮(19682),男,山东诸城人,博士研究生,副研究员,主要从事核技术及应用研究;西安市69信箱10分箱。 二极管特性的研究——桥式整流电路的设计 实验目的 1． 运用伏安法测绘二极管的特性曲线。 2． 借助示波器观察绘制桥式整流电路的特性曲线。 实验原理 晶体二极管是由两种具有不同导电性能的n 型半导体和p 型半导体结合形成的pn 结 构成的，如图一（a ）所示，pn 结具有单向导电的特性，常用符号表示如图一（b ）。 图 一 二极管pn 结构 图 二 二极管特性曲线 当pn 结加上正向电压（p 区接正、n 区接负）时，外电场使pn 结的阻挡层变薄，形 成比较大的电流，二极管的正向电阻很小；当pn 结加上反向电压时，外电场使pn 结的阻 挡层变厚，形成极小的反向电流，表现为反向电阻非常大。晶体二极管的正反向特性曲线 如图二所示，即二极管具有单向导电性。 利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉冲直流电，其过程称为整流。如图三是 桥式整流滤波电路，其整流过程如下：当交流电为正半周时，M 点电压高于N 点电压， D 2、D 4截止，而D 1、D 3导通，电流将从交流电源依次通过D 1、R 、D 3回到电源；当交流电为 负半周时，N 点电压高于M 点电压，D 1、D 3截止，而D 2、D 4导通，电流将从交流电源依 图 三 桥式整流、滤波电路 图 四 交流、整流及滤波波形 次通过D 2、R 、D 4回到电源。这样通过R 的电流方向是固定的，U A 始终大于U B ，且U AB 随交流电的起伏而波动。如果将R 两端接入示波器会观察到如图四的整流波形②。 如在负载R 两端并接上电容值较大的电解电容，见图三的虚线部分，可将脉冲直流电 过滤成较平稳的直流电，称为滤波。波形②将会变得较为平滑或成一条直线③。（滤波的 基本原理：电容C 两端的初始电压为0。接入交流电源U 后，当U 为正半周时，D 1、D 3 导通，U 通过D 1、D 3对电容充电；当U 为负半周时，D 2、D 4导通，U 通过D 2、D 4对电 容充电。由于充电回路等效电阻很小，所以充电很快，电容C 迅速被充到交流电压的最大 t A C V (a) (b) 稳压二极管工作原理 一、稳压二极管原理及特性 一般三极管都是正向导通，反向截止；加在二极管上的反向电压如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大，而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。这种特殊的二极管叫稳压管。 稳压管的型号有2CW、2DW 等系列，它的电路符号如图5－17所示。 稳压管的稳压特性，可用图5一18所示伏安特性曲线很清楚地表示出来。 稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的，因此，稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压，不同类型稳压管的稳定电压也不一 样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例如：2CW11的稳压值是3.2伏到4．5伏，其中某一只管子的稳压值可能是3．5伏，另一只管子则可能是4，2伏。 在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压管，可以选用稳压值较低的稳压管，然后串联几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0．6～0．7伏的特点来进行稳压的。因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。 稳压管稳压性能的好坏，可以用它的动态电阻r来表示： 显然，对于同样的电流变化量ΔI，稳压管两端的电压变化量ΔU越小，动态电阻越小，稳压管性能就越好。 稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流越大，动态电阻越小。因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合适。工作电流选得大些，可以减小动态电阻，但不能超过管子的最大允许电流（或最大耗散功率）。各种型号管子的工作电流和最大允许电流，可以从手册中查到。 稳压管的稳定性能受温度影响，当温度变化时，它的稳定电压也要发生变化，常用稳定电压的温度系数来表示，这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw= 12伏，温度系数为0.095%℃，说明温度每升高1℃，其稳定电压升高11.4毫伏。为提高电路的稳定性能，往往采用适当的温度补偿措施。在稳定性能要求很高时，需使用具有温度补偿的稳压，如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。 二、稳压二极管稳压电路图 由硅稳压管组成的简单稳压电路如图5- l9（a）所示。硅稳压管DW与负载Rfz，并联，R1为限流电阻。 非线性电阻特性研究(一) 【实验目的】 （1）了解并掌握基本电学仪器的使用。 （2）学习电学实验规程，掌握回路接线方法。 （3）学习测量条件的选择及系统误差的修正。 （4）探究发光二极管和热敏电阻在常温下的伏安特性曲线。 【实验仪器】 发光二极管（BT102）热敏电阻（根据实验室情况选择）滑动变阻器（0~100 Ω）定值电阻（400Ω）毫安表（0~50mA）微安表(0~50μA) 电压表（0~3v 0~6v）电源（10v）导线等 【实验原理】 （1）当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时，电压与电流之比称为该元件的电阻R（R=U/I）。若一个元件两端的电压与通过它的电流成比例，则伏安特性曲线为一条直线，这类元件称为线性元件。若元件两端的电压与通过它的电流不成比例，则伏安特性曲线不再是直线，而是一条曲线，这类元件称为非线性元件。 一般金属导体的电阻是线性电阻，它与外加电压的大小和方向无关，其伏安特性是一条直线（见图b）。从图上看出，直线通过一、三象限。它表明，当调换电阻两端电压的极性时，电流也换向，而电阻始终为一定值，等于直线斜率的倒数。 常用的晶体二极管是非线性电阻，其电阻值不仅与外加电压的大小有关，而且还与方向有关。 LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它属于固态光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用（如图一）。 常规的发光二极管芯片的结构如图二所示，主要分为衬底，外延层（图2中的N型氮化镓，铝镓铟磷有源区和P型氮化镓），透明接触层，P型与N型电极、钝化层几部分。 图3 发光二极管的工作原理 ） ） ）电 子 的 电 势 能 电 子 的 电 势 能 姓名班级________学号____ 实验日期__节次教师签字成绩 二极管的特性研究及其应用一．实验目的 1.通过二极管的伏安特性的绘制，加强对二极管单向导通特性的理解； 2.了解二极管在电路中的一些应用； 3，学习自主设计并分析实验 二．实验内容： 1.二极管伏安特性曲线绘制； 2.交流条件下二极管电压波形仿真； 3.二极管应用电路 三．实验仪器 稳压电源RIGOL DS5102CA FLUKE190型测试仪；1N4001二极管若干； 函数信号发生器 TFG2020G ；电阻若干； 四．实验步骤 1.二极管伏安特性曲线绘制； 二极管测试电路 （1）创建电路二极管测试电路； （2）调整V1电源的电压值，记录二极管的电流与电压并填入表1； （3）调整V2电源的电压值，记录二极管的电流与电压并填入表2； （4）根据实验结果，绘制二极管的伏安特性。 表一 V1 200mv 300mv 400mv 500mv 600mv 700mv 800mv 1v 2v 3v ID VD 表二 V1 I D V D 绘制U—I图: 2．交流条件下二极管电压波形仿真； D1 1N4001GP R1 100Ω V16 Vpk 100 Hz 0° XSC1 A B C D G T 2 1 仿真电路图 仿真结果 3.二极管应用电路 （1）桥式整流电路 D1 1N4001 D2 1N4001 D3 1N4001 D4 1N4001 V115 Vpk 60 Hz 0° R1100Ω 1 3 45 用示波器测量R1两端波形，并记录 桥式整流电路仿真 D1 1N4001 D21N4001 D3 1N4001 D41N4001 V115 Vpk 60 Hz 0° R12kΩ 4 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ 3 2 仿真结果 什么是稳压二极管稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是:，稳压二极管是一种用于稳定电压的单PN结二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很少的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。 稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。 稳压管的应用： 1、浪涌保护电路(如图2)：稳压管在准确的电压下击穿，这就使得它可作为限制或保护之元件来使用，因为各种电压的稳压二极管都可以得到，故对于这种应用特别适宜。图中的稳压二极管D是作为过压保护器件。只要电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通。使继电器J吸合负载RL就与电源分开。 2、电视机里的过压保护电路(如图3)：EC是电视机主供电压，当EC电压过高时，D导通，三极管BG导通，其集电极电位将由原来的高电平(5V)变为低电平，通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态。 3、电弧抑制电路如图4：在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样)的话，当线圈在导通状态切断时，由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收，所以当开关断开时，开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多，如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到 它。 4、串联型稳压电路(如图5)：在此电路中。串联稳压管BG的基极被稳压二极管D钳定在13V，那么其发 射极就输出恒定的12V电压了。这个电路在很多场合下都有应用 国产稳压二极管产品的分类 二极管的击穿通常有三种情况，即雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。 （1）雪崩击穿 对于掺杂浓度较低的PN结，结较厚，当外加反向电压高到一定数值时，因外电场过强，使PN结内少数载流子获得很大的动能而直接与原子碰撞，将原子电离，产生新的电子空穴对，由于链锁反应的结果，使少数载流子数目急剧增多，反向电流雪崩式地迅速增大，这种现象叫雪崩击穿。雪崩击穿通常发生在高反压、低掺杂的情况下。 （2）齐纳击穿 对于采用高掺杂（即杂质浓度很大）形成的PN结，由于结很薄（如0.04μm）即使外加电压并不高（如4V），就可产生很强的电场（如）将结内共价键中的价电子拉出来，产生大量的电子一空穴对，使反向电流剧增，这种现象叫齐纳击穿（因齐纳研究而得名）。齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。（3）热击穿 在使用二极管的过程中，如由于PN结功耗（反向电流与反向电压之积）过大，使结温升高，电流变大，循环反复的结果，超过PN结的允许功耗，使PN结击穿的现象叫热击穿。热击穿后二极管将发生永久性损坏。 实验一二极管特性实验 一、实验目的： 1、验证晶体二极管的单向导电特性。 2、学会测量晶体二极管的伏安特性曲线。 3、掌握几种常用特种功能二极管的性能和使用方法。 二、实验前准备： 1、复习晶体二极管结构和伏安特性。 2、阅读光电二极管、发光二极管和稳压管的特性和使用范围。 3、复习用万用表测量晶体二极管的方法。阅读用图示仪测试晶体二极管及用示波 器测量输出电压的方法。 三、实验设备： KJ120学习机一台 数字式万用表一块 指针式万用表一块（20KΩ/V DC） 四、实验原理： 晶体二极管由一个PN结构成，具有单向导电作用。几种常用二极管的符号如图1.1所示。 （a） (b) (c) 图1.1几种常见二极管的符号 图1.1（a）为普通二极管，如In4001;In4148;2AP等。 图1.1（b）～(c)为稳压管、发光二极管等。 如稳压管，它工作在反向击穿区。使用时，利用反向电流在击穿区很大范围内变化而电压基本恒定的特性来进行稳压。 发光二极管是一种把电能变成光能的半导体器件。发光二极管有各种颜色，例如有发红光的，发黄光的，发绿光的等等。 发光二极管工作电压较低（1.6～3V），正向工作电流只需几毫安到几十毫安，故常作线路通断指示和数字显示。 若将万用表黑表笔接二极管正极，红表笔接二极管负极，则二极管处于正向偏置，呈现低阻，表针偏转大；反之，二极管处于反向偏置，呈现高阻，表针偏转小。根据 两次测得的阻值，就可以辨别二极管的极性。 注意万用表不同的电阻挡的等效内阻各不相同测得的阻值有差异。一般不宜采用RX10K 挡来测二极管，因该挡的电源电压较高（一般为9V ），有可能损坏管子． 五、实验步骤： 1、二极管的一般测试。 （1）按实验报告表1.1要求多用万用表测量二极管（IN4001、IN4148、2AP 、LED ） 的正、反向阻值。将数据填入表1-1中。 （2）二极管正向电压测量：调电位器，使I=5mA 分别测量五种二极管的正向电 压，将数据填入表1-1中。 图1.2 二极管正反向电压测量电路 （a ）正向电压测量电路 （b ）反向电压测量电路 2、测量2AP 的伏安特性。 （1）测量2AP 正、反向伏安特性的线路见图1.2（a ）、（b ）。按图接好线路图1.2 测量2AP 伏安特性的线路。 （2）将电位器R w 中心滑臂旋至地端，接通电源。调节R w 阻值使输出电压逐渐增 大。按实验报告表1-2要求测量2AP 或2CK 的正向伏安特性，并将数据填入该表，在直角坐标上绘成曲线。 （3）按实验报告表1-2要求，测量2AP 或2CK 的反向伏安特性。注意2AP 型管 反向电流不要超过400ｕA 。数据填入表中，在直角坐标上绘成反向特性曲线。 3、交流电路中二极管（IN4001）作用实验 （a ）正向接法 （b ）反向接法 图1.3 二极管单向导电试验线路 （1）实验线路如图1.3所示。按图（a ）接线 （2）调好示波器，用示波器分别观察图1.3（a ）线路中A 、B 两点的输出波形。 （3）将D 反接，线路如图1.3（b ）所示，用示波器观察输出波形。将波形绘入实 验报告表1-3中。 V V 18 V强流脉冲电子束作用下单晶硅表层缺陷与结构变化
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