二极管基础:介绍不同类型的二极管的特点「二极管的类型」

时间：2023-05-04 09:49:07来源：搜狐

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一、引言

1.1二极管结构及符号

1.2分类标准

二、常用二极管说明

三、二极管比较

3.1肖特基二极管与普通二极管

3.2瞬态电压抑制器vs ESD保护二极管

3.3发光二极管与激光二极管

四、二极管应用

4.1整流

4.2开关

4.3限幅

4.4续流

4.5显示

五、与二极管类型有关的问题及进一步研究

5.1问题

5.2回答

一、引言1.1二极管结构及符号

基本二极管由一根管子、一个外壳和两个电极组成。管是一个PN结，在PN结的每一端画一个针。用塑料、玻璃或金属材料制成包装外壳，如下图所示。从P区抽出的电极称为正电极或阳极，从N区引出的电极称为负极或阴极。

图1。简单的二极管结构和符号

1.2分类标准

1）按材质可分为锗二极管（锗管）和硅二极管（硅管）。

2）按结构可分为点接触二极管、表面接触二极管和平面二极管。点接触二极管有一个小的PN结，不能通过一个大的正向电流和承受高反向电压。但是，它在高频段有良好的性能，适合于高频检测电路和开关电路。表面接触二极管具有大的PN结，可以通过大电流和高反向电压，适合用于整流电路。平面二极管用作脉冲数字电路的开关管时，PN结接触小，但用于大功率整流时PN结面积大。表面贴装二极管有两种类型，有铅和无铅，它们的常见形状是圆柱形和矩形。

3）根据用途：包括整流二极管、检测二极管、齐纳二极管、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。

二、常用二极管说明

二极管

整流二极管利用单向导电特性将交流电源整流为直流脉动电源。由于整流二极管的正向电流较大，其结构一般采用表面接触式。但这种结构会导致结电容过大。整流二极管的工作频率一般小于3KHz。全密封金属结构包装和塑料包装是整流二极管的常见包装形式。正向额定电流大于1A的整流器封装在金属外壳内，充分散热；正向额定电流小于1A的整流器大多采用全塑料包装。

图2。整流器

在选择整流二极管时，主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率和反向恢复时间等参数。普通串联稳压电源电路中使用的整流管，其截止频率的反向恢复时间不严格，因此只能选择满足电路要求的最大整流电流和最大反向工作电流。另外，开关电源的整流电路和脉冲整流电路应采用工作频率高、反向恢复时间短的整流器。

检测二极管

检测二极管是一种滤除叠加在高频载波上的低频信号的装置。它具有较高的检测效率和良好的频率特性，主要采用玻璃封装结构。该检测二极管具有正向压降小、检测效率高、结电容小、频率特性好等特点。在选择检测二极管时，应根据电路设计要求考虑工作频率高、反向电流小、正向电流足够大。

开关二极管

开关二极管的正向偏置导通电阻很低，施加反向偏置时关断电阻很大。利用二极管的单向导电特性，电流可以开关，所以管被称为开关二极管。

图3。开关二极管

中速开关电路和检测电路可采用2AK系列普通开关二极管。高速开关电路可选用RLS系列、1S系列、1N系列、2CK系列高速开关二极管。开关二极管的具体型号应根据电路的主要参数，如正向电流、最大反向电压、反向恢复时间等来选择，例如，反向恢复时间（trr）是指从接通状态到完全关闭状态的时间。一般情况下，电子关断后不能立即停止，有一定量的反向电流流动，漏电流越大，损耗越大。开关二极管的关键特性是开关速度快，可以满足高频和超高频电路的需要。因此它常被用于脉冲数字电路和自动控制电路中。

图4。反向恢复时间（trr）

稳压二极管

齐纳二极管利用PN结反向击穿时电压基本不随电流变化而变化的特点，达到调压的目的。按击穿电压划分，其电压调节值为击穿电压值。齐纳二极管作为电压调节器或电压基准元件，可以串联在一起以获得更高的电压调节值。选择齐纳二极管时，应符合电路参数要求。例如，齐纳二极管的稳定电压值应与应用电路的参考电压相同，最大稳定电流应高于应用电路的最大负载电流的50%左右。

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雪崩二极管

雪崩二极管是在稳压器技术基础上发展起来的微波功率器件。它能在外加电压的作用下产生高频振荡。雪崩二极管利用雪崩击穿将载流子注入晶体中。因为载流子在半导体晶圆上传输需要一定的时间，所以它的电流会在一段时间内滞后于电压。如果渡越时间控制得当，会对电流-电压关系产生负电阻效应，导致高频振荡。在应用方面，它常被用于微波通信、雷达、战术导弹、遥控、遥测等设备中。

快恢复二极管

快速恢复二极管是一种新型的半导体二极管，具有良好的开关特性和较短的反向恢复时间，通常用作高频开关电源的整流二极管。

反向恢复时间是快速恢复二极管的一个重要参数。它的定义是二极管从正向导通状态迅速转变为截止状态，从零输出脉冲到反向电源，恢复到最大反向电流的10%所需的时间。

超快速恢复二极管（SRD）是在快速恢复二极管的基础上发展起来的，其主要区别在于反向恢复时间更短。普通快恢复二极管的反向恢复时间为几百纳秒，而SRD的反向恢复时间一般为几十纳秒。值越小，二极管的工作频率越高。当工作频率在几十到几百kHz范围内时，普通整流二极管的电压变化时间比恢复时间慢，单向导通导致二极管不能正常工作。在这种情况下，需要一个快速恢复整流二极管。因此，整流二极管用于彩电等家用电器的开关电源。否则，电器可能无法与普通整流二极管正常工作。

阶跃变换二极管

它的结构特点是：在PN结的边界处有一个陡峭的杂质分布区，从而形成一个“自助电场”。由于PN结处于正向偏压下，它与少量载流子一起导电，并且在PN结附近具有电荷存储效应，因此其反向电流需要一个“存储时间”才能降到最小值（反向饱和电流值）。自救电场缩短了储存时间，快速切断反向电流，产生丰富的谐波成分。利用这些谐波成分，可以设计出一种特殊的频谱产生电路，主要用于脉冲和高次谐波电路中。

肖特基二极管

肖特基二极管是一种低功耗、大电流、超高速的半导体器件，其反向恢复时间极短（可小到几纳秒），正向压降仅为0.4v左右，但整流电流可达数千安培。这些优良特性是快速恢复二极管无法比拟的。

图5。伏安特性曲线

肖特基二极管是以贵金属（金、银、铝、铂等）为正极，N型半导体为负极，在二者接触表面形成的势垒具有整流特性的金属半导体器件。肖特基二极管通常用于高频、大电流、低压整流电路中。此外，一些开关电源也需要它。

瞬态电压抑制器（TVS）

瞬态电压抑制器（TVS）是一种常用的电路保护装置，具有响应时间快（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。由于TVS的两端受到瞬时高能冲击，TVS可以以非常高的速度将两端之间的阻抗值从高阻抗改变为低阻抗，从而吸收瞬时大电流并将电压钳制在预定值上，保护后续电路元件免受瞬态高压尖峰的影响。它对过电压的响应比变阻器或气体放电管快。广泛应用于计算机、电子仪器、通讯设备、家用电器、机载/船用及汽车电子设备中，也可用作过电压冲击或雷击等保护元件。

根据峰值脉冲功率的不同，电视机可分为四类：50W、1000W、1500W和5000W。当两端的电压高于额定值时，它会瞬间开启，两端的电阻会以很高的速度由高电阻变为低电阻，吸收巨大的电流，并将电压钳制在一个预先设定的值上。

发光二极管（LED）

发光二极管由半导体材料制成，如磷化镓和磷化砷化镓。除了普通二极管的单向导电特性外，它们还可以直接将电能转换为光能。当正向电压施加在发光二极管上时，它也处于导电状态。正向电流流过管子，它会发光。

发光二极管的发光颜色主要取决于管的材料和所含杂质的类型。目前，常用的发光二极管有蓝色、绿色、黄色、红色、橙色、白色等。LED的工作电流一般为2～25mA。工作电压随材料的不同而变化：普通的绿色、黄色、红色和橙色发光二极管约为2v；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V，而蓝色发光二极管的工作电压通常高于3.3V。LED的工作电流不能超过额定值，否则有烧坏的危险。因此，限流电阻器通常串联在LED电路中。红外发光二极管是一种特殊的发光二极管，其形状与LED相似，但它发出的红外光，在正常情况下人眼是看不见的。其工作电压约为1.4V，工作电流一般小于20mA。除了单色LED外，还有双色和三色LED，可以发射两种以上颜色的光。

发光二极管的PN结封装在透明的塑料外壳中，形状为方形、矩形和圆形。发光二极管具有驱动电压低、工作电流小、抗振动冲击能力强、体积小、可靠性高、省电、寿命长等优点，被广泛应用于信号显示等电路中。

激光二极管

激光二极管是一种类似于led的二极管。它们具有与二极管相似的特性，但在正向偏压模式下，它们发射光，两端的电压降充当负载。半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长等优点，但输出功率小（一般小于2mW）。其线性度差，单色性差，在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多通道、高性能的模拟信号。

有两种常见的激光二极管：

①PIN光电二极管

当它接收到产生光电流的能量时，会产生量子噪声。

② 雪崩光电二极管

它可以提供内部信号放大，传输距离比PIN光电二极管长，但量子噪声更大。

光电二极管

光电二极管的外壳装有玻璃窗，以便于接收光。它的特点是当光照射到PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，从而增加半导体中少数载流子的浓度。在一定的反向偏压下，反向电流增大。因此，其反向电流随光强的增加而线性增加。当没有光线时，光电二极管的伏安特性与普通二极管相同。作为光控制元件，光电二极管可用于各种物体的探测、光电控制、自动报警等。当制作出大型光电二极管时，它可以作为一种称为光伏电池的能源。此时，它不需要外部电源，可以直接将光能转换成电能。

交流二极管

DIC是一个二极管，它只在瞬间达到导通电压后才传导电流。它是一种硅双向电压触发开关器件。当施加在二极管上的电压超过其击穿电压时，两端接通，直到电流中断或降至器件保持电流的最小值，传导才会停止。圆盘通常用于过电压保护电路、移相电路、晶闸管触发电路和定时电路中。

变容二极管

变容二极管是一种特殊的半导体器件，它利用反向偏压改变PN结的电容。它相当于可变电容器。PN结两端的电容随反向电压的大小而变化。随着电压的增加，变容二极管的容量减小。由于这一特性，它主要用于电调谐电路（如彩电的LNB），作为电压控制的自动微调电容器。

在选择变容二极管时，应重点考虑电路的工作频率、最大反向工作电压、最大正向电流和零偏结电容。应选用低反向漏电流和不同结电容的变容二极管。

自由旋转二极管

通常，选择快速恢复二极管或肖特基二极管作为“自由行二极管”。它通常用于电路中，以保护元件免受感应电压击穿或烧毁。将产生感应电动势（EMF）的元件两端并联连接，并与之形成回路，这样回路中产生的高电势被电流消耗，从而保护电路中的元件。

续流二极管通常与储能元件一起使用，以防止电压和电流的突然变化，并提供通路。电感通过电感向负载提供连续电流，防止负载电流突变，起到平滑电流的作用。在开关电源中，由串联的二极管和电阻器组成的一种自转电路。该电路的续流二极管与变压器并联。当开关管关断时，自由轮电路可以释放变压器线圈中储存的能量，防止感应电压过高而损坏开关管。实际上，续流二极管并不是一个实质性的元件，它只是在电路中具有自由度功能。

耿氏二极管

耿氏二极管，也称为转移电子器件（TED），是一种用于高频电子器件的二极管。与普通二极管同时具有N型区和P型区不同，它只由N型杂质半导体组成。

Gunn二极管有三个区：两端为N型杂质掺杂区，中间有一层轻掺杂层。当电压施加在Gunn二极管上时，中心薄层的电梯度最大。因为在导体材料中，电流与电压成正比，就会产生导电性。最终，在中心薄层处会产生更高的电场值，从而产生更高的电阻，以防止电导率进一步增加，从而使电流开始减小。这意味着Gunn二极管具有负电阻效应，或者称为负微分电阻。在许多射频电路设计中，它是一种简单有效的微波发生器形式。

透纳二极体

它是一种以隧穿电流为主电流的晶体二极管，是一种双端有源器件。基底材料是砷化镓和锗。N型区和P型区是高掺杂区（即杂质浓度很高）。隧穿电流是由半导体的量子力学效应产生的，它有三个条件：导带和全带都是费米能级；空间电荷层的宽度必须窄（小于0.01微米）；的P型和N型区的空穴将与相同能级的电子重叠。隧道二极管可用于低噪声高频放大器和高频振荡器（其工作频率可达毫米波），也可用于高速开关电路。

PIN二极管

这是一种晶体二极管，在P区和N区之间有一层本征半导体（或杂质浓度低的半导体）。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的储存效应和本征层的渡越时间效应，二极管失去整流功能，成为阻抗元件，其阻抗值随偏置电压的变化而变化。因此，PIN二极管可以用作可变阻抗元件。它常用于微波开关、移相、调制、限幅等高频开关电路中。

阻尼二极管

阻尼二极管具有较低的电压降和较高的工作频率，能够承受较高的反向工作电压和峰值电流，并且具有较小的正向压降。它类似于高频高压整流二极管，用于阻尼和升压整流。

真空二极管

真空二极管，又称电子二极管或阀门，或真空管。只有一个阴极和一个阳极的管子。它是由基于加热灯丝的阴极发射的电子传导的。由于灯丝有热损耗，其性能不如半导体二极管。

当阳极电位高于阴极时，阴极发射的电子在电场作用下向阳极移动形成电子流。当阴极电压高于阳极时，电子所受的电场力将电子拉回到阴极，不能产生电流。这就是单向导电性。一般用于校正和检测。有两种真空管，真空管和气体管（填充惰性气体）。后者还可用于电压稳定、指示和系统控制。

全二极管符号显示

三、二极管比较3.1肖特基二极管与普通二极管

对于普通二极管，硅管的初始导通压降约为0.5V，正常导通压降约为0.7V，接近极限电流时的导通压降约为1V。锗管的初始导通压降约为0.2V，正常导通压降约为0.3V，接近极限电流时的导通压降约为0.4V。对于肖特基二极管，初始开启电压降约为0.4V，正常开启电压降约为0.5V，接近极限电流时开启电压降约为0.8V。

两个二极管都是单向的，可用于整流应用。不同的是，普通硅二极管的耐压可以更高，但恢复时间较长，只能用于低频整流。如果在高频下使用，会发生反向泄漏，导致管子烧毁。肖特基二极管耐压低，但恢复时间短，可用于高频场合。

3.2瞬态电压抑制器vs ESD保护二极管

TVS主要用于瞬态电压抑制，ESD主要用于静电放电保护。防静电要求电容值低，一般在1～3.5PF之间最好，静电放电很好地满足要求。然而，电视不能做到这一点，因为电视的电容相对较高。

3.3发光二极管与激光二极管

LED利用注入有源区的载流子的自发发射发光，而LD则通过激光辐射发光。LED发出的光的方向是随机的，LD光的方向和相位是相同的。LD有一个光学谐振腔，因此产生的光子在谐振腔中振荡和放大，而LED没有这一点。LED没有临界值，光谱密度比LD高几个数量级，光输出功率小，发散角大。LED通常用于交通灯等电气设备的指示灯中。具有使用寿命长、光电转换效率高的特点。而半导体激光器则广泛应用于低功率光电器件，如计算机上的CD驱动器和激光打印机的打印部件。