二極管可能是電子工程師最常聽到和最常用到的元器件之一了，本文將詳細(xì)介紹關(guān)于二極管的基礎(chǔ)知識，供大家參閱。

一、概述

相對于被動器件（如：電阻、電容、電感），二極管（英文：Diode）是半導(dǎo)體領(lǐng)域一個相當(dāng)重要的基礎(chǔ)器件，今天我們就走進(jìn)精彩的二極管半導(dǎo)體世界吧！

二極管是一種具有兩個電極（一般用A、K極表示）的半導(dǎo)體器件，它最具特性的功能就是只允許電流由單一方向通過（稱為正向偏壓），反向時阻斷 （稱為反向偏壓）。大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流（Rectifying）”功能，許多的使用是應(yīng)用其整流功能的。二極管的這種單向?qū)ǖ奶匦?，簡單可口述為“正向?qū)щ?，反向不?dǎo)電”，可用下圖(1) 來形象表示：

而下圖（2）是市面上我們所常見的二極管外觀：

二、工作原理

現(xiàn)今最普遍的二極管大多是使用半導(dǎo)體材料如硅或鍺，它是一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成了空間電荷層，并且建有自建電場，當(dāng)不存在外加電壓時，因?yàn)閜-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)產(chǎn)生反向電壓偏置時，外界電場與自建電場進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍中與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0（這也就是不導(dǎo)電的原因, 如圖3所示）。

而當(dāng)產(chǎn)生正向電壓偏置時，外界電場與自建電場的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流（也就是導(dǎo)電的原因，如下圖4所示）。

三、二極管的特性

二極管具有單向?qū)щ娦?，其典型伏安特性曲線見下圖(5)。當(dāng)二極管兩端加上正向偏壓時，當(dāng)電壓值較小時，電流極??；對于硅二極管，當(dāng)電壓超過0.6V時，電流開始按指數(shù)規(guī)律增大，通常稱此為二極管的開啟電壓；當(dāng)電壓達(dá)到約0.7V時，二極管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，通常稱此電壓為二極管的導(dǎo)通電壓，用符號VF表示。

對于鍺二極管，開啟電壓為0.2V，導(dǎo)通電壓VF約為0.3V。在二極管加有反向電壓，當(dāng)電壓值較小時，電流極小，其電流值為反向飽和電流IS。

特別的，當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，電流開始急劇增大，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象，對應(yīng)的稱此電壓為二極管的反向擊穿電壓，用符號VBR表示。不同型號的二極管的擊穿電壓VBR值差別很大，從幾十伏到幾千伏。

四、二極管的種類

二極管種類有很多，按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管（如1N4001、M7等等）、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管（如1N4148）、肖特基二極管、發(fā)光二極管、光電二極管、激光二極管、變?nèi)荻O管等等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點(diǎn)接觸型二極管是用一根很細(xì)的金屬絲壓在光潔的半導(dǎo)體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地?zé)Y(jié)在一起，形成一個“PN結(jié)”。由于是點(diǎn)接觸，只允許通過較小的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機(jī)的檢波等，這類典型的二極管型號如：IN60。面接觸型二極管的“PN結(jié)”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關(guān)、脈沖及高頻電路中。

五、二極管的主要參數(shù)

1. 額定正向工作電流

額定正向工作電流指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值。因?yàn)殡娏魍ㄟ^二極管會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度，就會使管芯過熱而損壞，所以二極管使用中不要超過規(guī)定的工作電流值。硅管容許溫度約為140oC，鍺管約為90oC。常用的IN4001的額定正向工作電流為1A。

2.二極管的正向電壓降

它是指二極管導(dǎo)通時，二極管兩端產(chǎn)生的正向電壓降。此值越小越好。

3. 最高反向工作電壓

加在二極管兩端的反向工作電壓高到一定值時，管子將會擊穿，失去單向?qū)щ娔芰?。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電值。例如，lN4001二極管反向耐壓為50V，lN4007的反向耐壓為1000V

4.反向電流

是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶?。反向電流與溫度密切相關(guān)，大約溫度每升高10oC，反向電流增大一倍。例如2APl型鍺二極管, 在25℃時，反向電流為250 μA，溫度升高到35℃，反向電流將上升到500 μA，在75℃時，它的反向電流已達(dá)8mA，不僅失去了單方向?qū)щ娞匦裕€會使管子過熱而損壞。硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。

5. 反向恢復(fù)時間

從正向電壓變成反向電壓時，電流一般不能瞬時截止，要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時間，這個時間就是反向恢復(fù)時間。它直接影響二極管的開關(guān)速度。

6. 耗散功率

耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM，是指晶體管參數(shù)變化不超過規(guī)定允許值時的最大集電極耗散功率。二極管的耗散功率與允許的節(jié)溫有關(guān)，硅二極管允許的最大節(jié)溫是150℃，而鍺允許最大節(jié)溫85℃。半導(dǎo)體工作溫度是有限的，當(dāng)實(shí)際的功率增大是，其節(jié)溫也將變大，當(dāng)節(jié)溫達(dá)到150℃是，此時的功率就是最大的耗散功率。當(dāng)然，耗散功率與封裝大小也有一定的關(guān)系，通常封裝大點(diǎn)的器件，其最大耗散功率也相對大點(diǎn)，最常見的就是大功率器件擁有大體積，大面積的散熱金屬面。

一個具體型號的二極管其耗散功率與測試條件有關(guān)，比如測試環(huán)境溫度和散熱條件。耗散功率與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度越大，耗散功率越小。通常情況下，測試出來的最大耗散功率是在25℃下。隨著環(huán)境溫度的升高，其最大的耗散功率將減少，因?yàn)樵摋l件下的導(dǎo)熱溫差變小，比如說在25℃下，某二極管耗散功率能達(dá)到1W，在75℃情況下，耗散功率可能變成0.4W。允許最大耗散功率與散熱條件有關(guān)，散熱條件越好，耗散功率越高，在同一環(huán)境溫度下，耗散功率為1W，加了散熱片之后，耗散功率可能變?yōu)?.7W。

關(guān)于散熱條件，表征散熱措施的一個參數(shù)是熱阻。熱阻反映阻止熱量傳遞能力的綜合參量。熱阻跟電子學(xué)里的電阻類似，都是反映“阻止能力”大小的參考量。熱阻越小，傳熱能力越強(qiáng)；反之，熱阻越大，傳熱能力越小。從類比的角度來看，熱量相當(dāng)于電流，溫差相當(dāng)于電壓，熱阻相當(dāng)于電阻。其中，熱阻Rja：芯片的熱源結(jié)到周圍冷卻空氣的總熱阻，其單位是℃/W，表示在1W下，導(dǎo)熱兩端的溫差。

在設(shè)計過程中，人們更關(guān)注器件工作時的溫度，以確保在安全的工作范圍。以1N4448HWS為例，在環(huán)境溫度為25℃情況下，實(shí)際功率為100mW時，其溫度為25+625*0.1=87.5℃，其能正常工作；當(dāng)實(shí)際功率為200mW時，其溫度為25+625*0.2=150℃，這時候已經(jīng)達(dá)到節(jié)溫的最大溫度了，比較危險，應(yīng)當(dāng)避免。

六、二極管的應(yīng)用

1.整流

整流二極管主要用于整流電路，即把交流電變換成脈動的直流電。整流二極管都是面結(jié)型，因此結(jié)電容較大，使其工作頻率較低，一般為3kHZ以下。

2.開關(guān)

二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。利用二極管的單向開關(guān)特性，可以組成輸入保護(hù)電路，如下圖所示：

3.限幅

二極管正向?qū)ê?，它的正向壓降基本保持不變（硅管?.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內(nèi)。如下圖所示，為了限制集成運(yùn)放的差模輸入電壓，保護(hù)其輸入級，可加二極管限幅電路，

4.續(xù)流

在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起續(xù)流作用，應(yīng)用如下圖所示：

5.檢波

檢波二極管的主要作用是把高頻信號中的低頻信號檢出。它們的結(jié)構(gòu)為點(diǎn)接觸型。其結(jié)電容較小，工作頻率較高，一般都采用鍺材料制成, 應(yīng)用如下圖所示：

6.阻尼

阻尼二極管多用在高頻電壓電路中，能承受較高的反向擊穿電壓和較大的峰值電流，一般用在電視機(jī)電路中，如下圖所示, 常用的阻尼二極管有D2499、2CN2、BSBS44等。

7.顯示

常用用于各種電子設(shè)備等顯示器上LED指示燈、 LED數(shù)碼管、LED顯示屏等等。

8.穩(wěn)壓

這種管子是利用二極管的反向擊穿特性制成的，在電路中其兩端的電壓保持基本不變，起到穩(wěn)定電壓的作用, 如下圖所示。常用的穩(wěn)壓管有2CW55、2CW56等。

9.觸發(fā)

觸發(fā)二極管又稱雙向觸發(fā)二極管（DIAC）屬三層結(jié)構(gòu)，具有對稱性的二端半導(dǎo)體器件。常用來觸發(fā)雙向可控硅；在電路中作過壓保護(hù)、觸發(fā)電路(如下圖所示) 等用途。

本文摘自《立創(chuàng)快報》，進(jìn)入立創(chuàng)商城官網(wǎng)免費(fèi)訂閱。

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