一、核心物理基礎：基于晶體管負阻效應的電流自穩

恒流二極管本質上是單片集成的雙極型晶體管（BJT）與電阻的復合結構，通過基區寬度調制效應實現電流的自動穩定，而非依賴外部反饋電路。

1. 內部結構與等效電路

• 物理結構：

• 由NPN晶體管（發射極、基區、集電極）與基區串聯電阻（R_B）構成，陽極（A）接發射極，陰極（K）接集電極。

• 基區寬度極薄（通常<1μm），通過摻雜濃度梯度形成內建電場，加速載流子傳輸。

• 等效電路：

• 可簡化為負阻元件（N型）與正電阻（R_B）的串聯，電流變化時基區電阻動態調整，抵消電壓對電流的驅動作用。

2. 負阻特性的類比解釋

• 水龍頭與彈簧模型：

• 將電流比作水流，電壓比作水壓。

• 普通二極管：水壓↑ → 水流↑（正阻特性，類似普通水龍頭）。

• 恒流二極管：水壓↑ → 內部彈簧（基區電阻）自動收縮 → 管道變窄（基區寬度↓）→ 水流被限制（電流自動穩定）。

二、工作過程詳解：從閾值電壓到恒流區的動態平衡

1. 電壓-電流特性曲線（V-I特性）

• 關鍵參數：

• 閾值電壓（V_TH）：1.2V~1.8V（典型值），超過此電壓后電流開始進入恒流區。

• 擊穿電壓（V_BZ）：6V~10V（典型值），需確保電源電壓<V_BZ，否則器件損壞。

2. 恒流區的動態平衡機制

• 負反饋過程：

1. 電壓↑：外電路電壓增加 → 基區-發射極電壓（V_BE）↑ → 基區載流子濃度↑ → 基區寬度因電場擠壓而↓。

2. 基區電阻↑：基區寬度↓ → 基區電阻R_B↑ → 集電極電流（I_C）被限制（I_C ≈ V_BE / R_B）。

3. 電流抑制：I_C上升趨勢被抑制，最終穩定在設計值I?（如2DH6的600μA）。

• 類比解釋：

• 自動限流閥：類似水管中的壓力補償閥，當水壓（電壓）↑時，閥門自動收縮（基區電阻↑），保持水流（電流）恒定。

三、影響恒流特性的關鍵因素

1. 溫度效應：正溫度系數與補償需求

• 電流溫漂：

• 基區載流子遷移率隨溫度↑而↑ → 電流↑（典型值：+0.3%/℃）。

• 后果：高溫下電流可能超限（如25℃時600μA，85℃時可能達680μA）。

• 補償方法：

• 外接負溫度系數熱敏電阻（NTC）：并聯在恒流二極管兩端，溫度↑時NTC阻值↓，分流部分電流，抵消器件電流增加。

• 內置補償電路：部分型號（如SM4001系列）通過摻雜工藝實現溫漂<±0.1%/℃。

2. 負載阻抗匹配：動態阻抗的約束

• 動態阻抗（R_D）：

• 恒流二極管在恒流區的輸出阻抗（典型值：15Ω~30Ω），反映電流對電壓變化的抑制能力。

• 公式：R_D = ΔV / ΔI（如2DH6的R_D≈25Ω，表示電壓變化1V時電流僅變化40mA）。

• 負載匹配規則：

• 高阻抗負載（如>1kΩ）：電流波動<±1%（因負載分壓效應可忽略）。

• 低阻抗負載（如<100Ω）：需并聯射隨器（如2N3904）降低輸出阻抗，否則電流波動>±10%。

3. 電源電壓范圍：閾值與擊穿的邊界

• 最小電源電壓：

• 需滿足：V_CC ≥ (負載壓降 + V_TH + 安全裕量)。

• 示例：驅動單顆LED（壓降2V）需V_CC ≥ 3.5V（2V+1.5V+0.2V）。

• 最大電源電壓：

• 必須<擊穿電壓（V_BZ），否則器件永久損壞。

• 防護措施：串聯限流電阻（如5V電源驅動2DH6時，限流電阻≥5kΩ）。

四、與普通二極管/穩壓管的本質區別

五、直接結論：恒流二極管的工作原理核心邏輯

1. 負阻特性是核心：

• 通過基區寬度調制實現電壓↑→基區電阻↑→電流抑制的負反饋機制，自動穩定電流。

2. 設計邊界明確：

• 需滿足電壓>閾值、負載阻抗>動態阻抗、溫度補償等條件，否則電流失控。

3. 與穩壓管的本質差異：

• 穩壓管是電壓鉗位器件（控制變量為電流），恒流二極管是電流鉗位器件（控制變量為電壓）。

設計原則：“利用負阻特性實現電流自穩，通過外電路約束邊界條件”，避免因忽視溫度、負載匹配等導致電流漂移或器件損壞。