二极管是最常用的电子元件之一,它最大的特性就是单向导电,也就是电流只可以从二极管的一个方向流过。二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路以及各种调制电路,主要都是由二极管来构成的。

 

其原理都很简单,正是由于二极管等元件的发明,才有我们现在丰富多彩的电子信息世界的诞生,既然二极管的作用这么大那么我们应该如何去检测这个元件呢,其实很简单只要用万用表打到电阻档测量一下反向电阻如果很小就说明这个二极管是坏的,反向电阻如果很大这就说明这个二极管是好的。对于这样的基础元件我们应牢牢掌握住他的作用原理以及基本电路,这样才能为以后的电子技术学习打下良好的基础。

 

二极管结构

二极管是由管芯、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。

 


二极管的伏安特性

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。二极管的伏安特性是指加在二极管两端电压和流过二极管的电流之间的关系,用于定性描述这两者关系的曲线称为伏安特性曲线。通过晶体管图示仪观察到硅二极管的伏安特性如下图所示。
  


下面对二极管伏安特性曲线加以说明:

正向特性

外加正向电压较小时,二极管呈现的电阻较大,正向电流几乎为零,曲线 OA 段称为不导通区或死区。一般硅管的死区电压约为 0.5 伏,锗的死区电压约为 0.2 伏,该电压值又称门坎电压或阈值电压。

 

当外加正向电压超过死区电压时,PN 结内电场几乎被抵消,二极管呈现的电阻很小,正向电流开始增加,进入正向导通区,但此时电压与电流不成比例如 AB 段。随外加电压的增加正向电流迅速增加,如 BC 段特性曲线陡直,伏安关系近似线性,处于充分导通状态。

 

二极管导通后两端的正向电压称为正向压降(或管压降),且几乎恒定。硅管的管压降约为 0.7V,锗管的管压降约为 0.3V。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。

 

反向特性

二极管承受反向电压时,加强了 PN 结的内电场,二极管呈现很大电阻,此时仅有很小的反向电流。如曲线 OD 段称为反向截止区,此时电流称为反向饱和电流。实际应用中,反向电流越小说明二极管的反向电阻越大,反向截止性能越好。一般硅二极管的反向饱和电流在几十微安以下,锗二极管则达几百微安,大功率二极管稍大些。

 

当反向电压增大到一定数值时(图中 D 点),反向电流急剧加大,进入反向击穿区,D 点对应的电压称为反向击穿电压。二极管被击穿后电流过大将使管子损坏,因此除稳压管外,二极管的反向电压不能超过击穿电压。


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。


二极管的分类

按半导体材料分类

二极管按其使用的材料可分为锗(Ge)二极管、硅(Si)二极管、砷化镓(GaAs)二极管、磷化镓(GaP)二极管等。

 

按封装形式分类

二极管按其封装形式可分为塑料二极管、玻璃二极管、金属二极管、片状二极管、无引线圆柱形二极管。

 

按结构分类

半导体二极管主要是依靠 PN 结而工作的。与 PN 结不可分割的点接触型和肖特基型,也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内,根据 PN 结构造面的特点,把晶体二极管分类如下:

 

1.
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。因此,其 PN 结的静电容量小,适用于高频电路。但是,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。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。

 

2.
键型二极管

键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的,其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较,虽然键型二极管的 PN 结电容量稍有增加,但正向特性特别优良。多作开关用,有时也被应用于检波和电源整流(不大于 50mA)。在键型二极管中,熔接金丝的二极管有时被称金键型,熔接银丝的二极管有时被称为银键型。

 

3.
合金型二极管

在 N 型锗或硅的单晶片上,通过合金铟、铝等金属的方法制作 PN 结而形成的。正向电压降小,适于大电流整流。因其 PN 结反向时静电容量大,所以不适于高频检波和高频整流。

 

4.
扩散型二极管

在高温的 P 型杂质气体中,加热 N 型锗或硅的单晶片,使单晶片表面的一部变成 P 型,以此法 PN 结。因 PN 结正向电压降小,适用于大电流整流。最近,使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。

 

5.
台面型二极管

PN 结的制作方法虽然与扩散型相同,但是,只保留 PN 结及其必要的部分,把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形,因而得名。初期生产的台面型,是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此,又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说,似乎大电流整流用的产品型号很少,而小电流开关用的产品型号却很多。

 

6.
平面型二极管

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。因此,不需要为调整 PN 结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整,故而得名。并且,PN 结合的表面,因被氧化膜覆盖,所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。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。对平面型二极管而言,似乎使用于大电流整流用的型号很少,而作小电流开关用的型号则很多。

 

7.
合金扩散型二极管

它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质,就能与合金一起过扩散,以便在已经形成的 PN 结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。

 

8.
外延型二极管

用外延面长的过程制造 PN 结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布,故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。

 

9.
肖特基二极管

基本原理是:在金属(例如铅)和半导体(N 型硅片)的接触面上,用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与 PN 结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有 40V 左右。其特长是:开关速度非常快:反向恢复时间 trr 特别地短。因此,能制作开关二极和低压大电流整流二极管。

 

按用途分类

1.
检波用二极管

检波主要是将高频信号中的低频信号检出,这一作用经常用于收音机中。就原理而言,从输入信号中取出调制信号是检波,以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流小于 100mA 的叫检波。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。

 

2.
整流用二极管

由于二极管具有单向导电性,因此可将方向交替变换的交流电转换为单一方向的脉冲直流电,完成整流的功能。就原理而言,从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流大于 100mA 的叫整流。面结型,工作频率小于 KHz,最高反向电压从 25 伏至 3000 伏分 A~X 共 22 档。分类有:硅半导体整流二极管 2CZ 型、硅桥式整流器 QL 型、用于电视机高压硅堆工作频率近 100KHz 的 2CLG 型。

 

3.
限幅用二极管

由于在二极管两端加正向电压使其导通后,其正向压降基本保持不变,因此其在电路中可以作为限幅元件,将信号的幅度限制在一定的范围内。大多数二极管能作为限幅使用。也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用,通常使用硅材料制造的二极管。也有这样的组件出售:依据限制电压需要,把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。

 

4.
调制用二极管

通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途,但它们通常是直接作为调频用。

 

5.
混频用二极管

使用二极管混频方式时,在 500~10,000Hz 的频率范围内,多采用肖特基型和点接触型二极管。

 

6.
放大用二极管

用二极管放大,大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的放大,以及用变容二极管的参量放大。因此,放大用二极管通常是指隧道二极管、体效应二极管和变容二极管。

 

7.
开关用二极管

由于二极管具有单向导电性,在正向电压作用下电阻很小,相当于通路,类似于开关打开状态;而在反向电压作用下电阻很大,相当于断路,类似于开关闭合状态。二极管具有的这种开关特性,使得其可以组成各种逻辑电路。

 

有在小电流下(10mA 程度)使用的逻辑运算和在数百毫安下使用的磁芯激励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管,也有在高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特长是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短,因而是理想的开关二极管。2AK 型点接触为中速开关电路用;2CK 型平面接触为高速开关电路用;用于开关、限幅、钳位或检波等电路;肖特基(SBD)硅大电流开关,正向压降小,速度快、效率高。

 

8.
变容二极管

可以通过对其施加反向电压来改变其 PN 结的静电容量,从而达到变容的功能,经常于电视机高频头的频道转换和调谐电路。用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。

 

日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压, 使其 PN 结的静电容量发生变化。因此,被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常,虽然是采用硅的扩散型二极管,但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管,因为这些二极管对于电压而言,其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压 VR 变化,取代可变电容,用作调谐回路、振荡电路、锁相环路,常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路,多以硅材料制作。

 

9.
频率倍增用二极管

对二极管的频率倍增作用而言,有依靠变容二极管的频率倍增和依靠阶跃(即急变)二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器,可变电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同,但电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管,从导通切换到关闭时的反向恢复时间 trr 短,因此,其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波,那么,因 tt(转移时间)短,所以输出波形急骤地被夹断,故能产生很多高频谐波。

 

10.
稳压二极管

稳压二极管是一种工作于反向击穿状态的面结型硅二极管,在稳压电路中串入限流电阻,限制稳压二极管击穿后电流值,使得其击穿状态可以一直保持下去。

 

是代替稳压电子二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压(又称齐纳电压)从 3V 左右到 150V,按每隔 10%,能划分成许多等级。在功率方面,也有从 200mW 至 100W 以上的产品。工作在反向击穿状态,硅材料制作,动态电阻 RZ 很小,一般为 2CW 型;将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为 2DW 型。

 

11.
PIN 型二极管

这是在 P 区和 N 区之间夹一层本征半导体(或低浓度杂质的半导体)构造的晶体二极管。PIN 中的 I 是“本征”意义的英文略语。当其工作频率超过 100MHz 时,由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应,其二极管失去整流作用而变成阻抗元件,并且,其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时,“本征”区的阻抗很高;在直流正向偏置时,由于载流子注入“本征”区,而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此,可以把 PIN 二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关(即微波开关)、移相、调制、限幅等电路中。

 

12.
雪崩二极管

它是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是栾的:利用雪崩击穿对晶体注入载流子,因载流子渡越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。它常被应用于微波领域的振荡电路中。

 

13.
江崎二极管

它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管,其基底材料是砷化镓和锗。其 P 型区的 N 型区是高掺杂的(即高浓度杂质的)。隧道电流由这些简并态半导体的量子力学效应所产生,发生隧道效应具备如下三个条件:费米能级位于导带和满带内、空间电荷层宽度必须很窄(0.01 微米以下)、简并半导体 P 型区和 N 型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。

 

江崎二极管为双端子有源器件。其主要参数有峰谷电流比(IP/PV),其中,下标“P”代表“峰”,下标“V”代表“谷”。江崎二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中(其工作频率可达毫米波段),也可以被应用于高速开关电路中。

 

14.
快速关断(阶跃恢复)二极管

它也是一种具有 PN 结的二极管。其结构上的特点是:在 PN 结边界处具有陡峭的杂质分布区,从而形成“自助电场”。由于 PN 结在正向偏压下,以少数载流子导电,并在 PN 结附近具有电荷存贮效应,使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值(反向饱和电流值)。阶跃恢复二极管的“自助电场”缩短了存贮时间,使反向电流快速截止,并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断(阶跃恢复)二极管用于脉冲和高次谐波电路中。

 

15.
肖特基二极管

它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管,其正向起始电压较低。其金属层除材料外,还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓,多为 N 型半导体。这种器件是由多数载流子导电的,所以,其反向饱和电流较以少数载流子导电的 PN 结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微,所以其频率响仅为 RC 时间常数限制,因而,它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达 100GHz。并且,MIS(金属-绝缘体-半导体)肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。

 

16.
阻尼二极管

具有较高的反向工作电压和峰值电流,正向压降小,高频高压整流二极管,用在电视机行扫描电路作阻尼和升压整流用。

 

17.
瞬变电压抑制二极管

TVP 管,对电路进行快速过压保护,分双极型和单极型两种,按峰值功率(500W-5000W)和电压(8.2V~200V)分类。

 

18.
双基极二极管

两个基极,一个发射极的三端负阻器件,用于张驰振荡电路,定时电压读出电路中,它具有频率易调、温度稳定性好等优点。

 

19.
发光二极管

用磷化镓、磷砷化镓材料制成,体积小,正向驱动发光。工作电压低,工作电流小,发光均匀、寿命长、可发红、黄、绿单色光。经常应用于 VCD、DVD、计算器等显示器上,例如电脑硬盘的指示灯、充电器的指示灯等都是发光二极管在生活中的应用。

 

20.
硅功率开关二极管

硅功率开关二极管具有高速导通与截止的能力。它主要用于大功率开关或稳压电路、直流变换器、高速电机调速及在驱动电路中作高频整流及续流箝拉,具有恢复特性软、过载能力强的优点、广泛用于计算机、雷达电源、步进电机调速等方面。

 

21.
旋转二极管

主要用于无刷电机励磁、也可作普通整流用。

 

按特性分类
点接触型二极管,按正向和反向特性分类如下:

 

1.
一般用点接触型二极管

这种二极管正如标题所说的那样,通常被使用于检波和整流电路中,是正向和反向特性既不特别好,也不特别坏的中间产品。如:SD34、SD46、1N34A 等等属于这一类。

 

2.
高反向耐压点接触型二极管

是最大峰值反向电压和最大直流反向电压很高的产品。使用于高压电路的检波和整流。这种型号的二极管一般正向特性不太好或一般。在点接触型锗二极管中,有 SD38、1N38A、OA81 等等。这种锗材料二极管,其耐压受到限制。要求更高时有硅合金和扩散型。

 

3.
高反向电阻点接触型二极管

正向电压特性和一般用二极管相同。虽然其反方向耐压也是特别地高,但反向电流小,因此其特长是反向电阻高。使用于高输入电阻的电路和高阻负荷电阻的电路中,就锗材料高反向电阻型二极管而言,SD54、1N54A 等等属于这类二极管。

 

4.
高传导点接触型二极管

它与高反向电阻型相反。其反向特性尽管很差,但使正向电阻变得足够小。对高传导点接触型二极管而言,有 SD56、1N56A 等等。对高传导键型二极管而言,能够得到更优良的特性。这类二极管,在负荷电阻特别低的情况下,整流效率较高。

 

按工作频率分类

二极管按工作频率可分为高频二极管和低频二极管。

 

按电流容量分类

二极管按其电流容量可分为大功率二极管(电流为 5A 以上)、中功率二极管(电流在 1-5A)和小功率二极管(电流在 1A 以下)。