二极管的原理特性、分类及作用

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二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件 。它具有单向导电性能, 即给二极管阳极和阴极加上正向电压时,二极管导通。 当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管截止。 因此,二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开 。
二极管是最早诞生的半导体器件之一,其应用非常广泛。特别是在各种电子电路中,利用二极管和电阻、电容、电感等元器件进行合理的连接,构成不同功能的电路,可以实现对交流电整流、对调制信号检波、限幅和钳位以及对电源电压的稳压等多种功能 。无论是在常见的收音机电路还是在其他的家用电器产品或工业控制电路中,都可以找到二极管的踪迹 。

各种型号二极管

当使用一定的参杂工艺制将p型半导体熔合到n型半导体时,会在二极管结两端形成势垒电压,从而形成PN结二极管。

PN结二极管是最简单的半导体器件之一,并且具有单相导电性,但是,和电阻不同,由于二极管具有指数型的电流-电压(伏安特性)关系,因此二极管的电流相对与施加的电压不是线性的,因此我们不能仅仅通过使用欧姆定律来描述其工作。

晶体二极管的原理

晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN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PN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,PN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。

二极管符号和静态伏安特性

二极管符号和静态IV特性

二极管具有单向导电性,二极管的伏安特性曲线如上图所示 。
硅二极管加有正向电压,当电压值较小时,电流极小;当电压超过0.6V时,电流开始按指数规律增大,通常称此为二极管的开启电压;当电压达到约0.7V时,二极管处于完全导通状态,通常称此电压为二极管的导通电压。
对于锗二极管,开启电压为0.2V,导通电压UD约为0.3V。在二极管加有反向电压,当电压值较小时,电流极小,其电流值为反向饱和电流IS。当反向电压超过某个值时,电流开始急剧增大,称之为反向击穿,称此电压为二极管的反向击穿电压。不同型号的二极管的击穿电压值差别很大,从几十伏到几千伏。如果应用于齐纳二极管(稳压二极管),根据生产时的稳压值,在此反向电压作用下,齐纳二极管反向击穿,电流增加,电压维持稳压值不变,在电路中起到稳压作用。普通二极管超过反向击穿电压就会损坏,齐纳二极管在施加稳压值内的一定范围内的反向电压击穿后,电压减低至稳压值以下,二极管恢复正常,不会损坏。

二极管正向特性

外加正向电压时,在正向特性的起始部分,正向电压很小,不足以克服PN结内电场的阻挡作用,正向电流几乎为零,这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。
当正向电压大于死区电压以后,PN结内电场被克服,二极管正向导通,电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内,导通时二极管的端电压几乎维持不变,这个电压称为二极管的正向电压。
当二极管两端的正向电压超过一定数值 ,内电场很快被削弱,特性电流迅速增长,二极管正向导通。 叫做门坎电压或阈值电压,硅管约为0.5V,锗管约为0.1V。硅二极管的正向导通压降约为0.6~0.8V,锗二极管的正向导通压降约为0.2~0.3V。

二极管反向特性

外加反向电压不超过一定范围时,通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小,二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流,二极管的反向饱和电流受温度影响很大。
一般硅管的反向电流比锗管小得多,小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级,小功率锗管在μA数量级。温度升高时,半导体受热激发,少数载流子数目增加,反向饱和电流也随之增加。

二极管击穿特性

外加反向电压超过某一数值时,反向电流会突然增大,这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热,则单向导电性不一定会被永久破坏,在撤除外加电压后,其性能仍可恢复,否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。

反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下,因势垒区宽度很小,反向电压较大时,破坏了势垒区内共价键结构,使价电子脱离共价键束缚,产生电子-空穴对,致使电流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿。如果掺杂浓度较低,势垒区宽度较宽,不容易产生齐纳击穿。
另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时,外加电场使电子漂移速度加快,从而与共价键中的价电子相碰撞,把价电子撞出共价键,产生新的电子-空穴对。新产生的电子-空穴被电场加速后又撞出其它价电子,载流子雪崩式地增加,致使电流急剧增加,这种击穿称为雪崩击穿。无论哪种击穿,若对其电流不加限制,都可能造成PN结永久性损坏。

二极管反向电流

反向电流是指二极管在常温(25℃)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2AP1型锗二极管,在25℃时反向电流若为250μA,温度升高到35℃,反向电流将上升到500μA,依此类推,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。又如,2CP10型硅二极管,25℃时反向电流仅为5μA,温度升高到75℃时,反向电流也不过160μA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

二极管动态电阻

二极管特性曲线静态工作点附近电压的变化与相应电流的变化量之比。

二极管电压温度系数

电压温度系数指温度每升高一摄氏度时的稳定电压的相对变化量

二级管最高工作频率

最高工作频率是二极管工作的上限频率。因二极管与PN结一样,其结电容由势垒电容组成。所以最高工作频率的值主要取决于PN结结电容的大小。若是超过此值。则单向导电性将受影响。

二极管最大整流电流

最大整流电流是指二极管长期连续工作时,允许通过的最大正向平均电流值,其值与PN结面积及外部散热条件等有关。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141℃左右,锗管为90℃左右)时,就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下,二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。

二极管最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,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。

晶体二极管分类及作用

1、整流二极管

利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。

2、检波二极管

把叠加在高频再波中的低频信号检测出来的器件,具有较高的检波频率和良好的频率特性,其在收音机中起检波作用。

3、开关二极管

由于半导体二极管在正向偏压下导通电阻很小,而在施加反向偏压截止时,截止电阻很大,在开关电路中利用半导体二极管的这种单向导电特性就可以对电流起到接通和关断的作用。

4、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,因而其在电路中起到的作用就是稳压作用。

5、快速恢复二极管(FRD)

这是一种新型的半导体二极管,其开关特性好,反向恢复时间短,常用于高频开关电源中做整流二极管。彩电等家用电器采用开关电源供电的整流二极管通常为此类二极管,而不能是普通的整流二极管,否则电器将可能不能正常工作。

6、肖特基二极管(SBD)

肖特基二极管,又称肖特基势垒二极管,简称SBD,是一种低功耗、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0.4V左右,而整流电流却可达到几千安培,这些优良特性都是快速恢复二极管所无法比拟的。

7、瞬态电压抑制二极管

简称TVS管,是在稳压管的工艺基础上发展的一种半导体器件。其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。此类二极管主要应用于快速过压保护电路中。

8、发光二极管

英文简称LED,是采用磷化镓、磷砷化镓等半导体材料制成的。此类二极管除了具有单向导电特性之外,还可以将电能转换为光能。其发光的颜色主要由制作管子的材料以及参入杂质的种类决定的,目前主要颜色有蓝色、绿色、黄色、红色、橙色、白色等。

9、雪崩二极管

雪崩二极管是在稳压管工艺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。长用于微波通信、雷达、战术导弹、遥控、遥测等设备当中。

10、双向触发二极管

双向触发二极管,又称二端交流器件(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能再次关断。此类二极管通常用在过压保护电路、移相电路、晶闸管触发电路、定时电路中。

11、变容二极管

变容二极管,简称VCD,是利用反向偏压来改变PN结电容量的特殊半导体器件。它相当于一个容量可变的电容器,其两个电极之间的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改变。此类二极管主要用于彩电调谐回路(如彩电的高频头)中,作为一个可以通过控制的自动微调电容器。

12、光电二极管,又称光敏二极管,光电二极管在反向电压作用下,在光线照射的情况下会产生一定的电流,光照的强度越大电流越大,可以将此电流的变化转换为电信号。

二极管在电子电路应用

几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体二极管。半导体二极管在电路中的使用能够起到保护电路,延长电路寿命等作用。半导体二极管的发展,使得集成电路更加优化,在各个领域都起到了积极的作用。二极管在集成电路中的作用很多,维持着集成电路正常工作。下面简要介绍二极管在以下四种电路中的作用。
(1)开关电路
在数字、集成电路中利用二极管的单向导电性实现电路的导通或断开,这一技术已经得到广泛应用。开关二极管可以很好的保护的电路,防止电路因为短路等问题而被烧坏,也可实现传统开关的功能。开关二极管还有一个特性就是开关的速度很快。这是传统开关所无法比拟的。
(2)限幅电路
在电子电路中,常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内,有选择地传输一部分信号。大多数二极管都可作为限幅使用,但有些时候需要用到专用限幅二极管,如保护仪表时。
(3)稳压电路
在稳压电路中通常需要使用齐纳二极管,它是一种利用特殊工艺制造的面结型硅把半导体二极管,这种特殊二极管杂质浓度比较高,空间电荷区内的电荷密度大,容易形成强电场。当齐纳二极管两端反向电压加到某一值,反向电流急增,产生反向击穿。
(4)变容电路
在变容电路中常用变容二极管来实现电路的自动频率控制、调谐、调频以及扫描振荡等。

(5)光电二极管在电路中和外围元件组成光电传感器,可以检测光强度大小,可应用于可见光,红外,紫外等光谱中。

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