【硬件基础4】二极管（原理、特性、类型、电路分析）

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【硬件基础4】二极管（原理、特性、类型、电路分析）

2024-07-11 04:00| 来源: 网络整理| 查看: 265

前言

一、二极管基础

1.1、半导体基本知识

1.2、PN结的形成及特性

1.2.1、PN结的形成

1.2.2、PN结的单向导电性

1.2.3、PN结的反向击穿

1.2.4、PN结的电容效应

1.3、二极管构成与性质

1.3.1、二极管结构

1.3.2、二极管的I-V特性

1.3.3、二极管主要参数

二、二极管的种类及其应用电路

2.1、通用二极管

1、与逻辑电路

2、低电压稳压电路

3、限幅与钳位电路

4、反相保护电路

2.2、开关二极管

5、低电平复位电路

2.3、整流二极管

6、半波整流电路

7、全波整流（整流桥）电路

2.4、稳压二极管

8、稳压电路（防止电压过大）

2.5、肖特基二极管

9、续流二极管（与4作用类似）

10、反相保护电路

2.6、TVS管

11、防浪涌电路

2.7、发光二极管

12、发光二极管电路

2.8、其他光电器件

前言

作为电路中常用器件的一种，二极管有必要重点介绍一下，基础原理部分基本来自于《模拟电子技术基础》、类型特性参考网上资料，资料会在文档博客的最后给出。

首先简单介绍半导体的基本只是，讨论了半导体器件的基础-PN结，半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数。总结了常用的二极管，并分析了其作用（通用、肖特基、稳压管、TVS管、发光二极管）

一、二极管基础 1.1、半导体基本知识

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导电率在10*e-7 ~ 10*e3 之间的材料都称为半导体

半导体材料：硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等，当半导体受到外界光和热的激励时，其导电能力将发生显著变化。

半导体类型：

本征半导体

是一个纯净、结构完整的半导体晶体，载流子是由热激发的，导电率会随温度的升高而增加。

导电率：是材料单位面积中所包含的电荷载流子的数目有关，浓度越高导电率越高。

本征激发：在室温（300K）下，被束缚的价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的舒服，成为自由电子，留下的空位叫做空穴。

P型半导体（空穴型）

是在硅晶体中掺入少量的三价元素杂质，如硼（B），多子为空穴，少子为自由电子。

N型半导体（电子型）

在硅中掺入五价元素，如磷（P）、砷和锑，多子为自由电子，少子为自空穴。

1.2、PN结的形成及特性

1.2.1、PN结的形成

N区的自由电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在中间复合形成内电场，内电场阻碍扩散运动，同时使少子产生飘逸运动。无外部电场作用下，参与扩散的多子数目和参与漂移的少子数目相同时，达到动态平衡，此时形成了PN结。

PN结空间电荷内，电子要从N区到P区必须越过一个能量高坡（空穴也类似），一般称此能量高坡为势垒。

1.2.2、PN结的单向导电性

PN结不加外部电源时：内部处于动态平衡，此时电流I=0外加正向电压：uUon时，正向电流 I 随电压增大而指数增加。外加反向电压：|u||Ubr|时，反向电流 I 急剧增加，称之为反向击穿。Uon为正向导通电压 Ubr为反向击穿电压 1.2.3、PN结的反向击穿

雪崩击穿：破坏电子-空穴对，发生碰撞产生倍增相应，整流二极管（掺杂浓度较低）。

齐纳击穿：打破共价键的舒服，电子反流向N，空穴反流向P，只有在杂志浓度特别高的PN结中才能实现，稳压二极管（齐纳二极管）。

热击穿：上面两种击穿能够自动恢复（可逆），但反向电流过大，产生的功率超过PN结容许耗散的功率，过热就会烧毁PN结。

1.2.4、PN结的电容效应

PN结的电容效应直接影响半导体器件（二极管、三极管、场效应管）的高频特性和开关特性，PN结电容效应包括扩散电容和势垒电容。

扩散电容

当PN结正向偏置时，积累在P区的空穴向N区扩散（N区的电子向P区扩散），两者复合，这是P区失去空穴就会形成“负极板”；N区失去电子就会形成“正极板”。

势垒电容

当PN结反向偏置时，外加电压Vr增加，势垒电位增至V0+Vr，结电场增加，多数载流子原理PN结，势垒区增宽，类似于平行板电容器两端的电荷变化。反之势垒区变窄。

综上：PN结的电容效应是扩散电容与势垒电容的综合反应，在高频运用时，必须考虑电容影响。PN结电容大小除了本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。当PN结处于正向偏置时，结电容较大（主要取决于扩散电容）；当PN结处于反向偏置时，结电容较小（主要取决于势垒电容）。

1.3、二极管构成与性质 1.3.1、二极管结构

将PN结用外壳封装起来，家上电极引线即可构成半导体二极管

面接触型：使用合金法或扩散法做成，PN结面积大，可承受较大电流，但极间电容也大，适合于整流电路，不适合高频电路中。如2CP1，最大整流电流400mA，频率仅为3KHz。

点接触型：PN结面积小，极间电容也小，适用于高频电路和数字电路。如2AP1，最大整流电流为16mA，最高频率为150MHz，这种不能承受高的反向电压和大的电流。

1.3.2、二极管的I-V特性

门坎电压（死区电压）：硅：0.5V；锗：0.1V

导通压降：硅：0.7V；锗：0.2V

反向击穿特性与PN结类似

1.3.3、二极管主要参数最大整流电流 $I_{F}$ ：管子长期运行时，允许通过最大正向平均电流，电流太大会发热烧坏。反向击穿电压 $V_{BB}$ ：反向击穿电压值反向电流 $I_{R}$ ：未击穿时，其值越小，管子的单向导电性越好，反向电流会随温度增加而增加。极间电容 $C_{d}$ ： $C_{d}=C_{D}+C_{B}$ ，扩散电容＋势垒电容，高频或开关状态运用时。反向恢复时间 $T_{RR}$ ：二极管在极性变化时不能瞬时完全变化（极间电容）。二、二极管的种类及其应用电路

立创商城整理的二极管分类：

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选型依据：二极管类型、正向压降、平均整流电流（正向电流）、直流反向耐压（最大反向电压）、反向电流、反向恢复时间、功耗、封装等。

2.1、通用二极管

属于面接触型二极管，正向工作电流较大，但开关特性及高频特性均较差。主要用于电路的整流，因此有些地方又称其为整流二极管。

电器符号：

常用通用型二极管：1N4001—1N4007（M1-M7）、1N5391—1N5399

应用电路：

1、与逻辑电路

只有D1/D2截至的时候，Vo才会被拉到5V，实现了与逻辑功能。

2、低电压稳压电路

3、限幅与钳位电路

2.2、整流桥

特点：电流大、工作频率低

常用器件手册：1N4007（M7）、DB207、MB10S（整流桥芯片）

应用电路：

4、半波整流电路

5、全波整流（整流桥）电路

整流桥可以直接选择整流芯片

6、反相保护电路

分析：在继电器线圈两端并联一个二极管，正确的说法应该是称为“反相”二极管（续流），当然作用就是用来保护驱动三极管不会被电感的反电动势击穿。从而可以进一步说明：在含电感的电路通常需要加入反相二极管对电感进行放电。

2.2、开关二极管

特点：电流小、工作频率高

常用器件手册：BAS316；IN4148WS（T4）；

应用电路：

7、低电平复位电路

分析：当电源快速断点时，开关二极管提供电容C1的快速放电回路，让MCU进行可靠复位。

2.4、稳压二极管

由2.1.2部分可知，可以根据二极管的正向导通特性可以构成低压稳压电路，但是串联二极管灵活性受限且二极管太多时，小信号等效电阻也会增大，使稳压性能下降。

稳压二极管又称齐纳二极管，是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管（稳压管）。直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。

稳压管在反向击穿时，在一定电流（功率）范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因此广泛用于稳压电源与限幅电路中。

电路工作在 $\Delta$ 区

选型依据：稳压值 $\Delta V_{Z}$

稳压电流（反向电流） $I_{Z}$ ，使用时不能超过，超过需要串联电阻限流

常用器件手册：2CW52/107、2DW232、LM3ZxVxT1G、BZT52CxVxS

应用电路：

8、稳压电路（防止电压过大）

分析：图中稳压管D5限制NMOS管的Vgs电压最大值为5.1V，避免VIN输入电压过大，导致Vgs电压值过大损坏NMOS管。

2.5、肖特基二极管

肖特基二极管（SBD）是利用金属与N型半导体接触，在交界面形成势垒二极管，因此，也称为金属-半导体结二极管或表面势垒二极管。金属为正极；N型半导体为负极。

两个特性：

由于肖特基二极管只有自由电子参与导电，空穴不参与导电，因此不存在少数载流子在PN结附近积累和消散的过程，所以电容效用非常小，工作速度非常块，适合高频与开关状态。肖特基二极管只有在N型半导体一侧会出现耗尽区（金属是良好的导体）相对较薄，因此导通门坎电压和正向压降都要比PN结小（约为0.2V，电流越大压降越大），相对来说其反向击穿电压比较低，大多数不高于60V（最高100V）。反向漏电流偏大（温度越高，漏电流越大）。