关于二极管的基础知识

    电子元件家族当中，有一种只允许电流由单一方向流过，具有两个电极的元件，称为二极管，英文是“Diode”，是现代电子产业的基石。

早期的二极管

    早期的二极管包含“猫须晶体”(Cat's Whisker Crystals)和真空管(ThermionicValves)。

    1904年，英国物理学家弗莱明根据“爱迪生效应”发明了世界上第一只电子二极管——真空电子二极管。它是依靠阴极热发射电子到阳极实现导通。

    电源正负极接反则不能导电，它是一种能够单向传导电流的电子器件。早期电子二极管存在体积大、需预热、功耗大、易破碎等问题，促使了晶体二极管的发明。

晶体二极管

    又称半导体二极管。1947年，美国人发明。在半导体二极管内部有一个PN结和两个引出端。

    这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅、锗。

晶体二极管结构

    晶体二极管的核心是PN结，关于PN结首先要了解三个概念。

• 本征半导体：指不含任何掺杂元素的半导体，如纯硅晶片或纯锗晶片。
• P型半导体：掺杂了产生空穴的含较低电价杂质的半导体，如在本征半导体中Si(4+)中掺入Al(3+)的半导体。 
• N型半导体：掺杂了产生空穴的含较低电价杂质的半导体，如在本征半导体中硅Si(4+)中掺入磷P(5+)的半导体。

    由P型半导体和N型半导体相接触时，就产生一个独特的PN结界面，在界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。

    当外加电压等于零时，由于PN结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的PN结。

    以PN结为核心结构，加上引线或引脚形成单向导电的二极管。

    当外加电压方向由P极指向N极时，导通。

晶体二极管分类

    晶体二极管可按材料不同和PN结结构不同，进行分类。

点接触型二极管

    点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。

    其PN结的静电容量小，适用于高频电路。因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此不能使用于大电流和整流。

    制作工艺：将细铝丝的一端接在阳极引线上，另一端压在掺杂过的N型半导体上。加上电压后，细铝丝在接触点处融化并渗入融化部分的中。这样，接触点实际上是P型半导体，并附着在N型半导体上形成PN结。

面接触型二极管

    面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流(几安到几十安)，主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。面接触型晶体二极管比较适用于大电流开关。

平面型二极管

    平面型二极管是一种特制的硅二极管，得名于半导体表面被制作得平整。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。

    在半导体单晶片(主要地是N型硅单晶片)上，扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。因PN结合的表面被氧化膜覆盖，稳定性好和寿命长。

    它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

晶体二极管主要特性

    二极管的伏安特性曲线如下：

• 外加电压Uw方向为P→N时，Uw大于起动电压，二极管导通。
• 外加电压Uw方向为N→P时，Uw大于反向击穿电压，二极管击穿。

晶体二极管性能参数

• 最大整流电流Idm：二极管连续工作允许通过的最大正向电流；电流过大，二极管会因过热烧毁；大电流整流可加装散热片。
• 最大反向电压Urm：Urm一般小于反向击穿电压，选规格以Urm为准，并留有余量；过电压易损坏二极管。
• 反向饱和电流Is：二极管外加反向电压时的电流值；Is反向击穿前很小，变化也很小；Is会随温度的升高而升高，一般地，常温下硅管Is<1μA，锗管Is=30~300μA。
• 最高工作频率Fm：指二极管能保持良好工作特性的最高工作频率。

不同用途的二极管差异

整流二极管

    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，

将交流电能转变为直流电能。

    面接触结构，多采用硅材料，能承受较大的正向电流和较高的反向电压。性能较稳定，但因结电容较大，不宜工作在高频电路中，所以不能作为检波管使用。有金属和塑料封装。

检波二极管

    检波二极管是用于把叠加在高频载波上的低频信号检出来的器件，它具有较高的检波效率和良好的频率特性。

    锗材料点接触型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为2AP型。

    类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。

    多采用玻璃封装或陶瓷外壳封装，以获得良好的高频特性。

开关二极管

    关二极管是半导体二极管的一种，是为在电路上进行“开”、“关”而特殊设计制造的一类二极管。它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短。

    开关二极管的势垒电容一般极小，这就相当于堵住了势垒电容这条路，达到了在高频条件下还可以保持好的单向导电性的效果。

    开关二极管从截止(高阻状态)到导通(低阻状态)的时间叫开通时间；从导通到截止的时间叫反向恢复时间；两个时间之和称为开关时间。一般反向恢复时间大于开通时间，故在开关二极管的使用参数上只给出反向恢复时间。开关二极管的开关速度是相当快的，像硅开关二极管的反向恢复时间只有几纳秒，即使是锗开关二极管，也不过几百纳秒。

    开关二极管具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高等特点，广泛应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路中。

稳压二极管

    稳压二极管，是指利用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。

    稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，称为击穿。

变容二极管

    变容二极管(Varactor Diodes)又称"可变电抗二极管"。材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。

    它一种利用PN结电容(势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管，其结构图如下。

    变容二极管的作用是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。

    变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。

    变容二极管的电容值与反向偏压值的关系图解：

• 反向偏压增加，造成电容减少；
• 反向偏压减少，造成电容增加；
• 反偏电压愈大，则结电容愈小。

发光二极管

    发光二极管简称为LED。由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。

阻尼二极管

    阻尼二极管类似于高频、高压整流二极管，其特点是具有较低有电压降和较高的工作频率，且能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流。

    阻尼二极管主要用在电视机中，作为阻尼二极管、升压整流二极管或大电流开关二极管使用。