硬件工程师必读：二极管基础知识详解

硬件工程师必读：二极管基础知识详解

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/eblock/article/details/143701897

二极管是电子工程领域中最基本的半导体器件之一，广泛应用于整流、开关、保护电路等多种场景。本文将从二极管的基本概念出发，详细介绍其工作原理、不同类型及其应用特点，帮助读者全面理解这一重要器件。

二极管

1. 二极管的介绍

二极管是一种具有一个PN结或一个金属-半导体结的半导体器件。它有两个端子，称为阳极和阴极。

它具有开关的特性，因此可根据施加在阳极与阴极之间的电压的方向，使电流流动或不流动。这种动作称为整流。

半导体的电导率值介于导电性良好的导体（如金属）和不易导电的绝缘体（如玻璃或橡胶）的电导率之间。例如，硅和锗都是半导体材料。

作为二极管材料，使用p型和n型半导体。掺杂有硼或其它电子受体原子的半导体称为p型半导体，因为其中的大部分电荷载流子为正空穴。掺杂有砷或其它电子供体原子的半导体称为n型半导体，因为其中的大部分电荷载流子为负电子。pn结二极管由p型和n型半导体组合而成。

例如，通过将以高能量加速的p型（n型）掺杂剂离子注入n型（p型）半导体生成pn结。

以这种方式形成并附带电极端子的pn结称为二极管（如图1）。

二极管仅在正向偏置时才会传导电流（即当阳极比阴极更加正向偏置时）（如图2）。这种只允许电流沿一个方向流动的功能称为整流。

图 1 二极管符号及其电极名称

通常二极管在反向偏置时不导通。然而，随着反向偏置电压的增大，大电流会在特定电压下突然通过二极管。此电压称为击穿电压（V(BR)）。在击穿区域高于V(BR)时，电压的细微变化会引起电流的大幅变化。换言之，相对于电流变化，电压变化很小。一些二极管专门利用这种恒压特性，例如齐纳二极管和瞬态电压抑制（TVS）二极管（ESD保护二极管）。图3显示了pn结二极管的I(F)-V(F)曲线。

图 2 二极管的极性

此外，还有一种二极管使用金属代替p型或n型半导体。由于金属与p型（n型）半导体之间的功函数差异，金属半导体结可以是具有类似于pn结的整流特性的肖特基结，具体取决于金属半导体组合。这种二极管称为肖特基势垒二极管（SBD），其特点是正向电压低。

2. 二极管的类型

二极管分为很多类型。按结构分类，可将二极管分为pn结二极管以及称为肖特基势垒二极管（SBD）的金属半导体结二极管。

pn结二极管进一步分为通常用于正向的整流二极管和开关二极管，以及专门利用反向击穿电压的齐纳（恒压）二极管和ESD保护（TVS）二极管。

此外，根据应用匹配pn结二极管工艺，对pn结二极管进行进一步的细分。

例如，pn结二极管分为以下类型：

1）快速恢复二极管（FRD），通过减少反向恢复电荷，实现比典型整流二极管更短的反向恢复时间；

2）可变电容二极管（变容二极管），利用耗尽层的电容随反向偏置电压变化的原理；

3）射频开关二极管（称为PIN二极管），在p型和n型半导体之间具有未掺杂的本征（I）半导体区域，以增加耗尽区的宽度，从而降低电容。

SBD具有低正向电压（V(F)），并且由于其为单极器件，因此基本上没有反向恢复电荷。

图 3 pn结二极管的I-V特性

3. 二极管的工作原理

二极管有两个端子：阳极（正极）和阴极（负极）。

当阳极电压高于阴极电压并且这种电压差超过数据表中规定的数值（对于硅pn结二极管，约为0.7V）时，二极管会传导电流。当阳极与阴极之间的电位差小于此值时，二极管不会传导电流。此动作称为整流。这种二极管特性可用于将直流电流转换为交流电流（AC-DC转换）、电池反接保护（反向电流保护）和无线电波检测的整流电路。

阳极端子高于阴极端子的偏置状态称为正向偏置，阳极端子低于阴极端子的偏置状态称为反向偏置。

当向二极管施加反向偏置电压且该电压增大时，在称为击穿电压的电压下电流突然流动。击穿电压几乎恒定不变并且与电流无关。利用此特性，二极管也用于恒压电路，用于静电放电（ESD）和浪涌保护。然而，典型的二极管在击穿区域工作时会发生性能退化和永久损坏。因此，有必要针对这些应用使用专门的二极管，例如齐纳二极管或ESD保护二极管。

图 4 二极管整流（半波整流）

图 5 pn结二极管的V-I曲线

图 6 基于二极管的检测器电路

4. 整流二极管和开关二极管区别

整流二极管和典型的开关二极管都是pn结二极管。尽管这两种二极管的制造方式几乎相同，但它们针对不同的应用而设计。

整流二极管的正向电流为0.5A或更高，专门用于将来自市电电源的交流电（AC）转换为直流电（DC）。

开关二极管专门用于高频应用（高达1MHz）、二极管逻辑、弱信号检测、二极管削波等。

因此，将开关二极管设计成具有较小的结面积，以提供相对较小的电容以及不超过250 mA的额定电流。

下表显示了每个数据表中给出的绝对最大额定值（表1：整流二极管；表2：开关二极管）。

表 1 整流二极管（CRG11B）的绝对最大额定值

表 2 开关二极管（1SS181）的绝对最大额定值