一、核心物理基础：基于晶体管负阻效应的电流自稳

恒流二极管本质上是单片集成的双极型晶体管（BJT）与电阻的复合结构，通过基区宽度调制效应实现电流的自动稳定，而非依赖外部反馈电路。

1. 内部结构与等效电路

• 物理结构：

• 由NPN晶体管（发射极、基区、集电极）与基区串联电阻（R_B）构成，阳极（A）接发射极，阴极（K）接集电极。

• 基区宽度极薄（通常<1μm），通过掺杂浓度梯度形成内建电场，加速载流子传输。

• 等效电路：

• 可简化为负阻元件（N型）与正电阻（R_B）的串联，电流变化时基区电阻动态调整，抵消电压对电流的驱动作用。

2. 负阻特性的类比解释

• 水龙头与弹簧模型：

• 将电流比作水流，电压比作水压。

• 普通二极管：水压↑ → 水流↑（正阻特性，类似普通水龙头）。

• 恒流二极管：水压↑ → 内部弹簧（基区电阻）自动收缩 → 管道变窄（基区宽度↓）→ 水流被限制（电流自动稳定）。

二、工作过程详解：从阈值电压到恒流区的动态平衡

1. 电压-电流特性曲线（V-I特性）

• 关键参数：

• 阈值电压（V_TH）：1.2V~1.8V（典型值），超过此电压后电流开始进入恒流区。

• 击穿电压（V_BZ）：6V~10V（典型值），需确保电源电压<V_BZ，否则器件损坏。

2. 恒流区的动态平衡机制

• 负反馈过程：

1. 电压↑：外电路电压增加 → 基区-发射极电压（V_BE）↑ → 基区载流子浓度↑ → 基区宽度因电场挤压而↓。

2. 基区电阻↑：基区宽度↓ → 基区电阻R_B↑ → 集电极电流（I_C）被限制（I_C ≈ V_BE / R_B）。

3. 电流抑制：I_C上升趋势被抑制，最终稳定在设计值I₀（如2DH6的600μA）。

• 类比解释：

• 自动限流阀：类似水管中的压力补偿阀，当水压（电压）↑时，阀门自动收缩（基区电阻↑），保持水流（电流）恒定。

三、影响恒流特性的关键因素

1. 温度效应：正温度系数与补偿需求

• 电流温漂：

• 基区载流子迁移率随温度↑而↑ → 电流↑（典型值：+0.3%/℃）。

• 后果：高温下电流可能超限（如25℃时600μA，85℃时可能达680μA）。

• 补偿方法：

• 外接负温度系数热敏电阻（NTC）：并联在恒流二极管两端，温度↑时NTC阻值↓，分流部分电流，抵消器件电流增加。

• 内置补偿电路：部分型号（如SM4001系列）通过掺杂工艺实现温漂<±0.1%/℃。

2. 负载阻抗匹配：动态阻抗的约束

• 动态阻抗（R_D）：

• 恒流二极管在恒流区的输出阻抗（典型值：15Ω~30Ω），反映电流对电压变化的抑制能力。

• 公式：R_D = ΔV / ΔI（如2DH6的R_D≈25Ω，表示电压变化1V时电流仅变化40mA）。

• 负载匹配规则：

• 高阻抗负载（如>1kΩ）：电流波动<±1%（因负载分压效应可忽略）。

• 低阻抗负载（如<100Ω）：需并联射随器（如2N3904）降低输出阻抗，否则电流波动>±10%。

3. 电源电压范围：阈值与击穿的边界

• 最小电源电压：

• 需满足：V_CC ≥ (负载压降 + V_TH + 安全裕量)。

• 示例：驱动单颗LED（压降2V）需V_CC ≥ 3.5V（2V+1.5V+0.2V）。

• 最大电源电压：

• 必须<击穿电压（V_BZ），否则器件永久损坏。

• 防护措施：串联限流电阻（如5V电源驱动2DH6时，限流电阻≥5kΩ）。

四、与普通二极管/稳压管的本质区别

五、直接结论：恒流二极管的工作原理核心逻辑

1. 负阻特性是核心：

• 通过基区宽度调制实现电压↑→基区电阻↑→电流抑制的负反馈机制，自动稳定电流。

2. 设计边界明确：

• 需满足电压>阈值、负载阻抗>动态阻抗、温度补偿等条件，否则电流失控。

3. 与稳压管的本质差异：

• 稳压管是电压钳位器件（控制变量为电流），恒流二极管是电流钳位器件（控制变量为电压）。

设计原则：“利用负阻特性实现电流自稳，通过外电路约束边界条件”，避免因忽视温度、负载匹配等导致电流漂移或器件损坏。