硬件设计基础----二极管

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-09-27 09:34 125阅读 0赞

## 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：

![在这里插入图片描述][7df60758effe472c92ae1d7711e5123b.png_pic_center]

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 ####

![在这里插入图片描述][e01c9acc886b49f38f2a2f9a5ef160ca.png_pic_center]

*  **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：

![在这里插入图片描述][9d23786bb9c9464faf5787bf6e7b05cb.png_pic_center]

**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  
    ![在这里插入图片描述][7c4df345425a4262a19fddd952c69fb8.png_pic_center]

**不同二极管对比：**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th>应用场合</th> 
   <th>正向电压</th> 
   <th>反向电压</th> 
   <th>恢复时间</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>普通硅二极管</td> 
   <td>低频功率电子应用场合</td> 
   <td>0.7V</td> 
   <td>&gt;500V</td> 
   <td>us</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>高速二极管</td> 
   <td>逻辑开关场合</td> 
   <td>0.7V</td> 
   <td>&lt;100V</td> 
   <td>ns</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>肖特基二极管</td> 
   <td>快恢复场合</td> 
   <td>0.3V</td> 
   <td>&lt;50V</td> 
   <td>ps</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>碳化硅二极管</td> 
   <td>高速，高电压场合</td> 
   <td>1.4V</td> 
   <td>&lt;1kV</td> 
   <td>ns</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 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：

![在这里插入图片描述][400f2148debf4a7391e3e0bd531bef60.png_pic_center]

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：

![在这里插入图片描述][6b042cf8e0ad4cd1a55d9705f90495fa.png_pic_center]

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：

![在这里插入图片描述][08e542e12df74c86b04d1d3900cb0748.png_pic_center]

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：

![在这里插入图片描述][bf67936d44d94bfba4214145db7f5781.png_pic_center]

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：

![在这里插入图片描述][70f371b34c294d9892cf4aa04bcb219f.png_pic_center]

#### 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：

![在这里插入图片描述][1ed4ccd6ab7c45af8a1c213b95db7b8b.png_pic_center]

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

**希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正**

**分享决定高度，学习拉开差距**

[7df60758effe472c92ae1d7711e5123b.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/7df60758effe472c92ae1d7711e5123b.png#pic_center
[e01c9acc886b49f38f2a2f9a5ef160ca.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/e01c9acc886b49f38f2a2f9a5ef160ca.png#pic_center
[9d23786bb9c9464faf5787bf6e7b05cb.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/9d23786bb9c9464faf5787bf6e7b05cb.png#pic_center
[7c4df345425a4262a19fddd952c69fb8.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/7c4df345425a4262a19fddd952c69fb8.png#pic_center
[400f2148debf4a7391e3e0bd531bef60.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/400f2148debf4a7391e3e0bd531bef60.png#pic_center
[6b042cf8e0ad4cd1a55d9705f90495fa.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/6b042cf8e0ad4cd1a55d9705f90495fa.png#pic_center
[08e542e12df74c86b04d1d3900cb0748.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/08e542e12df74c86b04d1d3900cb0748.png#pic_center
[bf67936d44d94bfba4214145db7f5781.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/bf67936d44d94bfba4214145db7f5781.png#pic_center
[70f371b34c294d9892cf4aa04bcb219f.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/70f371b34c294d9892cf4aa04bcb219f.png#pic_center
[1ed4ccd6ab7c45af8a1c213b95db7b8b.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/1ed4ccd6ab7c45af8a1c213b95db7b8b.png#pic_center