硬件设计基础----二极管

1 什么是二极管

二极管由管芯、管壳和两个电极构成，管芯是一个PN结，在PN结的两端各引出一个引线，用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，就构成了晶体二极管。P型区引出的电极称为正极或阳极，N型区引出的电极称为负极或阴极，如图所示：

N型半导体： 也称作电子型半导体，是自由电子浓度远大于空穴浓度的杂志半导体
P型半导体： 也称空穴型半导体，是带正电的空穴为主的半导体

二极管具有阳极和阴极两个端子，电流只能往单一方向流动。也就是说，电流可以从阳极流向阴极，而不能从阴极流向阳极。

二极管工作原理：

• PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流
• PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流

2 二极管的性质

2.1 一般性质

二极管是非线性元件，通过判断二极管是否导通，分析其在电路中的作用

• 当阳极与阴极之间加上导通电压以上电压时，就会导通，否则截止
• 二极管截止，即断路，可在电路中去除
• 二极管导通，其相当于一个导通电压大小的电源

导通电压：当正向电压超过过某一数值后，二极管才有明显的正向电流，该电压值称为导通电压

2.2 伏安特性

• 死区： 外加正向电压较小时，二极管呈现的电阻较大，正向电流几乎为零，该区域为不导通区或死区。一般硅管的死区电压约为 0.5 V, 锗的死区电压约为 0.1 V，该电压值又称门坎电压或阈值电压
• 正向特性： 大于导通电压的区域称为导通区，当流过二极管的电流Ｉ比较大时，二极管两端的电压几乎维持恒定，硅管约为0.6～0.8Ｖ(通常取0.7Ｖ)，锗管约为0.2～0.3V(通常取0.2Ｖ)
• 反向特性： 在反向电压小于反向击穿电压的范围内，由少数载流子形成的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关，此部分为截止区
• 反向击穿： 当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象叫做二极管的反向击穿

2.3 动态特性

高频信号加载在二极管上时，需要考虑二极管的动态特性。二极管的单向导向性并不理想，PN结除了构成单向导电的二极管外，还存在一个结电容，结电容导致“双向导电”，如图所示：

不同工艺影响二极管结电容大小：

• 点接触的PN结，可以减小结电容，但降低二极管的通流能力
• 面接触，通流能力强，但是结电容更大

低频时，反向导电占整个周期的比例很小，二极管仍可以看成是单向导电的；高频时，如果反向导电占整个周期的比例很大，二极管称为“双向导电”器件，也就无法使用了

3 二极管的分类

普通二极管有多种类型：

• 按材料分类：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管等
• 按管芯结构分类：面接触二极管和点接触二极管
• 按用途不同分类：整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管、快速恢复二极管等
• 按结类型分类：半导体结型二极管和金属半导体结型二极管
  

不同二极管对比：

4 二极管的参数

二极管的参数在数据手册中都有说明，下面对二极管的主要参数进行简单解释：

• 最高反向工作电压VRM： 二极管两端允许加载的最大反向电压，如果大于该值，则反向电流IR急剧增大，二极管的单向导电性被破坏，二极管反向击穿。因此，通常选取反向击穿电压VBR的一半作为VRM
• 反向重复峰值电压VRRM： 包括所有重复瞬态电压，不包括不重复瞬态电压。通常是与电路相关，比如交流信号每个周期的最高点即重复峰值电压
• 最大整流电流IF： 二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值
• 平均整流电流IO： 设计电路时参考该电流，电流值大小通常为IF的一半，所设计电路电流最好不要超过二极管的平均整流电流
• 峰值正向浪涌电流IFSM： 是允许流过的瞬间电流，超过该值会损坏二极管
• 反向电流IR： 二极管在规定的温度和反向电压作用下，流过二极管的反向电流，该电流越小，说明二极管的单向导电性越好。反向电流与文额度密切相关，大约每升高10℃，反向电流增大一倍
• 结电容CT： 结电容的大小表示二极管的频率特性，因为存在结电容，当频率很高时，容抗小到使PN结短路，导致二极管失去单向导电性
• 反向恢复时间trr： 二极管从正向电压变成反向电压时，电流不能瞬间截止，需要延时一点时间，该时间为反向恢复时间，并决定二极管的开关速度

5 二极管的应用

5.1 肖特基二极管

防反接保护电路中使用肖特基二极管较多，常用型号有SS34，B5819W，IN5819等，简单应用电路如下：

肖特基二极管不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作而成
肖特基二极管特点： 开关频率高，反向恢复时间极短(ns)，正向压降低(0.4V左右)
肖特基二极管缺点： 耐压值比较低，漏电流稍大
肖特基二极管用途： 用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管等

5.2 稳压二极管(齐纳二极管)

稳压二极管，又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。稳压值=反向击穿电压
稳压二极管使用一般都需要串联一个电阻做限流电阻用，因为稳压二极管的功率比较小，电路图如下：

二极管击穿且电流过大才会烧坏，保证电流在一定值，二极管不会烧坏。稳压二极管可以串联起来获得更高的稳定电压

5.3 TVS瞬态抑制二极管

TVS瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。TVS 有单向与双向之分，单向TVS一般适用于直流电路，双向TVS一般适用于交流电路中，其实双向也可以用于直流电路之中
TVS工作原理： 瞬态电压过高，TVS反向电压过高导致雪崩击穿，电阻有高阻态变为低阻态，泄放瞬时的大电流，电路图如下所示：

TVS管在电路中工作于反向截止状态，不影响电路的其他功能，当两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。干扰脉冲过去后，TVS又转入反向截止状态

5.4 ESD静电保护二极管

ESD二极管也是为了保护电路，主要功能是防止静电，实际项目中，USB接口会接ESD二极管，电路图如图所示：

ESD二极管，原理和TVS二极管一样，主要用于静电的防护

5.5 整流二极管

整流二极管是一种利用二极管单向导电的特性，将交流电转变为直流电的二极管，整流二极管一般为平面型硅二极管。整流二极管正反向电阻相差很大，且反向电阻接近于无穷大，整流电路如下所示：

5.6 LED发光二极管

LED发光二极管是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，简单应用电路如图所示：

发光二极管发光的强弱和流过的电流成正比，如果觉得光弱，可以降低串联的电阻，但是要注意LED能够承受的最大电流，防止损坏

5.7 其他二极管

光敏二极管，又称光电二极管，是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。光敏二极管可以利用光照强弱来改变电路中的电流，一般来说光线越强，电流越大

开关二极管，势垒电容小，在高频条件下也可以保持好的单向导电性，在电路中进行“开”、“关”

检波二极管，把叠加在高频载波上的低频信号检出，具有较高的检波效率和良好的频率特性。应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，其工作频率较高，处理信号幅度较弱

快速恢复二极管，有较高的开关速度和较低的正向压降，与肖特基二极管比，其耐压值高。主要用作高速整流元件，在开关电源和逆变电源中作整流二极管，以降低关断损耗，提高效率和减小噪声

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