二极管的分类及原理

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什么是二极管
二极管(英语：Diode)是电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管(Varicap Diode)则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流(Rectifying)”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为顺向偏压)，反向时阻断 (称为逆向偏压)。因此，二极管可以形成电子版的逆止阀
二极管分类
二极管按照材料、制作工艺、用途、结构、封装可以进行如下分类：
二极管原理
二极管由管芯、管壳和两个电极构成。管芯就是一个PN结，在PN结的两端各引出一个引线，并用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，就构成了晶体二极管，如下图1所示。P区的引出的电极称为正极或阳极，N区的引出的电极称为负极或阴极。
图1 二极管结构示意图及电路符号
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n?结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。
当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。pn结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。
二极管特性
4.1、伏安特性
半导体二极管的核心是PN结，它的特性就是PN结的特性——单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。
若以电压为横坐标，电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来，就构成二极管的伏安特性曲线，如下图所示(图中虚线为锗管的伏安特性，实线为硅管的伏安特性)。下面对二极管伏安特性曲线加以说明：
4.2、正向特性
二极管两端加正向电压时，就产生正向电流，当正向电压较小时，正向电流极小(几乎为零)，这一部分称为死区，相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压)，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V，如图中OA(OA′)段。
当正向电压超过门槛电压时，正向电流就会急剧地增大，二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V，锗管约为0.2~0.3V，如图中AB(A′B′)段。
二极管正向导通时，要特别注意它的正向电流不能超过最大值，否则将烧坏PN结。
4.3、反向特性
二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图中OC(OC′)段。
4.4、反向击穿特性
二极管反向电压加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压，用UBR表示，如图1.11中CD(C′D′)段。
4.5、温度对特性的影响
由于二极管的核心是一个PN结，它的导电性能与温度有关，温度升高时二极管正向特性曲线向左移动，正向压降减小;反向特性曲线向下移动，反向电流增大。
常用二极管
1、稳压二极管
稳压二极管又名齐纳二极管，是利用PN结反向击穿时电压基本上不随电流变化而变化的特点来达到稳压的目的，因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管(简称稳压管) 。稳压二极管是根据击穿电压来分挡的，其稳压值就是击穿电压值。稳压二极管主要作为稳压器或电压基准元件使用，稳压二极管可以串联起来得到较高的稳压值。选用的稳压二极管应满足应用电路中主要参数的要求。稳压二极管的稳定电压值应与应用电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大稳定电流应高于应用电路的最大负载电流50％左右。
稳压二极管是以击穿电压来分等级的，如果想要获得较高的电压可以串联使用，这一可以得到更高的输出恒定电压。例如1N4620稳压3.3V、1N4625稳压5.1V等，功率在从200mW到100W不等。
2、发光二极管
发光二极管的英文简称是LED，它是采用磷化镓、磷砷化镓等半导体材料制成的、可以将电能直接转换为光能的器件。发光二极管除了具有普通二极管的单向导电特性之外，还可以将电能转换为光能。给发光二极管外加正向电压时，它也处于导通状态，当正向电流流过管芯时，发光二极管就会发光，将电能转换成光能。发光二极管的发光颜色主要由制作管子的材料以及掺入杂质的种类决定。目前常见的发光二极管发光颜色主要有蓝色、绿色、黄色、红色、橙色、白色等。其中白色发光二极管是新型产品。发光二极管的工作电流通常为2～25mA。工作电压(即正向压降)随着材料的不同而不同：普通绿色、黄色、红色、橙色发光二极管的工作电压约2v；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电压通常高于3.3V。发光二极管的工作电流不能超过额定值太高，否则，有烧毁的危险。故通常在发光二极管回路中串联一个电阻R作为限流电阻。红外发光二极管是一种特殊的发光二极管，其外形和发光二极管相似，只是它发出的是红外光，在正常情况下人眼是看不见的。其工作电压约1.4V，工作电流一般小于20mA。有些公司将两个不同颜色的发光二极管封装在一起，使之成为双色二极管(又名变色发光二极管)，这种发光二极管通常有三个引脚，其中一个是公共端，它可以发出三种颜色的光(其中一种是两种颜色的混和色)，故通常作为不同工作状态的指示器件。
3、整流二极管
整流二极管利用二极管的单向导电特性将交流电源整流成脉动的直流电。因为整流二极管的正向电流较大，所以整流二极管的结构一般采用面接触式，这种结构导致整流二极管结电容较大，通常情况下整流二极管的工作频率小于3KHz。全密封金属结构封装和塑料封装是整流二极管常见的封装方式，其中正向额定电流在1A以上的整流管采用金属壳封装，以充分散热；正向额定电流在1A以下的整流管多是采用全塑料的封装。选用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、截止频率及反向恢复时间等参数。对于普通串联稳压电源电路中使用的整流管，其对截止频率的反向恢复时间要求不高，只需根据电路设计需求选择最大整流电流和最大反向工作电流满足要求的整流管即可，这类的整流二极管有1NXX系列、2CZ系列等。开关型稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的二极管，应该选用工作频率高、反向恢复时间短的整流管。。而对于高频率的开关电源则要用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管，这类二极管有RU系列、V系列、1SR系列等等。更高一点的可以考虑用肖特基二极管来整流。
4、检波用二极管
检波二极管是将叠加在高频载波中的低频信号筛选出来的器件，其具有较高的检波效率和良好的频率特性。检波二极管具有正向压降小、检波效率高、结电容小、频率特性好等特点。在选用检波二极管时时，应该根据电路设计需求选择工作频率高、反向电流小、正向电流足够大的检波二极管
检波就是从输入信号中取出调制信号，以整流电流的大小，一般是100mA为分界点通常把输出电流小于100mA的叫检波。检波用二极管通常用半导体收音机、电视机等小信号电路当中。
5、肖特基二极管
肖特基二极管是肖特基势垒二极管(Sehottky Barrier Diode，简称SBD)的简称。是一种具有低功耗、大电流、超高速半导体器件，其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降仅0.4 V左右，而整流电流却可达到几千安培，这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。肖特基二极管是用贵重金属(金、银、铝、铂等)为正极，以N型半导体为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属一半导体器件。肖特基二极管通常用在高频、大电流、低电压整流电路中。普遍用于用于大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管场合。有些开关电源需要用到肖特基二极管。
6、瞬态电压抑制二极管
瞬态电压抑制二极管简称TVP管(transient—voltage—suppressor)。它是在稳压管的工艺基础上发展起来的一种半导体器件，主要应用于对电压的快速过压保护电路中。广泛用于计算机、电子仪表、通信设备、家用电器以及野外作业的机载／船用及汽车用电子设备，并可以作为人为操作引起的过电压冲击或雷电对设备的电击等保护元件。瞬态电压抑制二极管按照其峰值脉冲功率可以分为四类：50W、1000W、1500W、5000W。瞬态电压抑制二极管在两端电压高于额定值时，会瞬间导通，两端电阻将以极高的速度从高阻改变为低阻，从而吸收一个极大的电流，将管子两端的电压钳位在一个预定的数值上。
7、雪崩二极管（Avalanche Diode）
雪崩二极管是在稳压管工艺技术基础上发展起来的一种微波功率器件，它在外加电压的作用下可以产生高频振荡。雪崩二极管利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越半导体晶片需要一定的时间，所以其电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡。它常被应用微波通信、雷达、战术导弹、遥控、遥测、仪器仪表等设备中。
8、快速恢复二极管(FRD)
快速恢复二极管(Fast Recovery Diode)是一种新型的半导体二极管，这种二极管的开关特性好，反相恢复时间短，通常用于高频开关电源中作为整流二极管。
快速恢复二极管的特点就是它的恢复时间很短，这一特点使其适合高频(如电视机中的行频)整流。快速恢复二极管有一个决定其性能的重要参数——反向恢复时间，反向恢复时间的定义是，二极管从正向导通状态急剧转换到截止状态，从输出脉冲下降到零线开始，到反向电源恢复到最大反向电流的10％所需要的时间。
超快速恢复二极管(SRD)是在快速恢复二极管的基础上研制的，它们的主要区别就是反向恢复时间更小。普通快速恢复二极管的反向恢复时间为几百纳秒，超快速恢复二极管(SRD)的反向恢复时间一般为几十纳秒，数值越小的快速恢复二极管的工作频率越高。当工作频率在几十至几百k H z时，普通整流二极管正反向电压变化的时间慢于恢复时间，普通整流二极管就不能正常实现单向导通而进行整流工作了．此时就要用快速恢复整流二极管才能胜任，因此，彩电等家用电器采用开关电源供电的整流二极管通常为快速恢复二极管，而不能用普通整流二极管代替，否则，用电器可能会不能正常工作。
9、双向触发二极管
双向触发二极管也称二端交流器件(DIAC)，它是一种硅双向电压触发开关器件，当双向触发二极管两端施加的电压超过其击穿电压时，两端即导通，导通将持续到电流中断或降到器件的最小保持电流才会再次关断。双向触发二极管通常应用在过压保护电路、移相电路、晶闸管触发电路、定时电路中。
10、变容二极管
变容二极管(Variable—Cacitance Diode，VCD)是利用反向偏压来改变PN结电容量的特殊半导体器件。变容二极管相当于一个容量可变的电容器，它的两个电极之间的PN结电容大小随加到变容二极管两端反向电压大小的改变而变化，当加到变容二极管两端的反向电压增大时，变容二极管的容量减小。由于变容二极管具有这一特性，所以它主要用于电调谐回路(如彩色电视机的高频头)中，作为一个可以通过电压控制的自动微调电容器。选用变容二极管时，应着重考虑其工作频率、最高反向工作电压、最大正向电流和零偏压结电容等参数是否符合应用电路的要求，应选用结电容变化大、高Q值、反向漏电流小的变容二极管。
二极管选型
5.1、二极管的识别
二极管的识别很简单：小功率二极管的负极通常在表面用一个色环标出；有些二极管也采用“P”表示正极，“N”表示负极；金属封装二极管通常在表面印有与极性一致的二极管符号；发光二极管长脚为正，短脚为负。整流桥的表面通常标注内部电路结构或者交流输入端以及直流输出端的名称，交流输入端通常用“AC”或者“～”表示；直流输出端通常以“+”、“~”符号表示。贴片二极管由于外形多种多样，其极性也有多种标注方法：在有引线的贴片二极管中，管体有白色色环的一端为负极；在有引线而无色环的贴片二极管中，引线较长的一端为正极；在无引线的贴片二极管中，表面有色带或者有缺口的一端为负极。
正常情况下，锗二极管的正向电阻约1.6kΩ。不同材料的二极管，其正向压降值不同：硅二极管为0.55～0.7V，锗二极管为0.15～0.3V。
5.2、二极管选型参数
不同类型的二极管有不同的特性参数，必须了解以下几个主要参数：
1）额定正向工作电流。额定正向工作电流是指二极管长期连续T作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度(硅管为140℃左右，锗管为90℃左右)时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的lN400l型锗二极管的额定正向工作电流为1A。
2）最大浪涌电流。最大浪涌电流是允许流过的过量的正向电流，它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值通常为额定正向工作电流的20倍左右。
3）最高反向工作电压。加在二极管两端的反向电压高到一定值时，管子将会击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，lN4001二极管反向耐压为50V，lN4007的反向耐压为1000v。
4）反向电流。反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10℃，反向电流增大一倍。例如2APl型锗二极管，在25℃时，反向电流为250μA，温度升高到35℃，反向电流将上升到500μA，在75℃时，它的反向电流已达8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。
5）反向恢复时间。从正向电压变成反向电压时，理想情况是电压反向时电流能瞬时截止，但实际上，一般要延迟一点点时间，这个延时时长通过反向恢复时间来量化。虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。
6）最大功率。最大功率就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流，这个极限参数对稳压二极管等显得特别重要