硬件基础:二极管

基本定义

二极管的内部其实就是一个PN结。

把PN结封装起来,两边加上两个电极,就组成了半导体二极管。简称二极管(Diode)

二极管和PN结一样,具有单向导通性:

外观和正负极

 常见芯片封装如下:

 一般来说,普通二极管有横杆或者色端标识的极是负极

发光二极管判断的话,长脚是正极,短脚是负极。内部大的是负极,小的是正极。

更多外观。。。。。。

贴片式稳压二极管

直插式整流二极管

肖特基二极管

等等,就不一一赘述了。 

伏安特性曲线

基本和PN结一致:

二极管的管压降一般在0.6—0.7V。

大体分为三个区域,正向导通区、截止区、反向击穿区。

和PN结一样,二极管在使用时,必须要接一个限流电阻,防止电流激增。

反向恢复时间

一般将二极管从正向导通变为反向截止的过程成为反向恢复过程,这个过程是需要一些时间的。二极管从正向导通切换到反向截止,实际中并不会马上就截止,反而会先出现瞬间的大电流,然后再慢慢趋于截止状态。

具体参考这篇文章:

二极管(一):反向恢复时间_二极管反向恢复时间_Infinity-LSC的博客-CSDN博客

普通二极管的常见应用

稳压二极管

稳压二极管也叫做齐纳二极管

参考:齐纳二极管(稳压二极管)详解及稳压电路分析 - 知乎

齐纳二极管是由Clarence Melvin Zener发明的。Zener是一名美国的物理学家,1930年从哈佛大学博士毕业,是他首次描述了齐纳二极管的反向击穿特性。

齐纳二极管被重度掺杂以降低击穿电压。这导致了一个非常薄的耗尽区域。因此,在耗尽区域内存在一个强电场。在齐纳击穿电压(VZ)附近,电场的强度足以将电子从其价带中拉出来并产生电流。

击穿电压小于约5V的齐纳二极管属于齐纳击穿。那些击穿电压大于5V的齐纳二极管属于雪崩击穿。然而,这两种击穿类型都被称为齐纳二极管。

相比普通二极管,齐纳二极管有更低的击穿电压,且保证不会损坏二极管。

齐纳二极管的特点是利用PN结反向击穿时,其电流可在很大范围内变化而电压基本不变,从而起到稳压作用。稳压二极管是根据击穿电压来分档的,广泛用于稳压电路和限幅电路中,其电路图符号及常见稳压二极管外形如下图所示:

注意,符号尖端有两个斜角的杠。

稳压二极管的伏安特性

稳压二极管是非线性元件,它的伏安特性曲线是非线性的。当稳压二极管处于正向偏置时,即工作在下图中的第一象限时,其伏安特性曲线与普通二极管一致。当稳压二极管处于反向偏置且当所施加的反向偏置电压小于|VZ|时,流过稳压管的反向电流几乎为0,可等效为开路状态。随着所施加的反向偏置电压增大,当超过|VZ|时,稳压管被击穿,此时VI曲线很陡,电压变化量很小,引起急剧的电流变化。曲线越陡,动态电阻越小,稳压管的稳压性能越好。IZ(min) 和IZ(max) 为稳压管工作在正常稳压状态的最小和最大工作电流。反向电流小于IZ(min) 时,稳压管进入反向特性的转弯段,稳压特性消失;反向电流大于IZ(max) 时,稳压管可能被烧毁。 

稳压管通常是和需要稳压的后端负载并联在一起,并且需要反接,此时,它可以将后端网络的电压给稳住。

为什么能稳住呢?

本质上,是通过调节电流来实现的。

齐纳二极管有很小的电压量变化时,就能引起急剧的电流变化,当负载出现波动,稳压管就可以根据电压的波动来调节电流的波动,从而让电压又恢复到稳压值。

这也能看出,稳压二极管的等效电阻是动态变化的,这就可以把稳压管看做一个自适应的可调电阻。

通过调节电阻值来调节流过负载的电流,负载电流高了,稳压管就多分点,负载电流低了,稳压管就少分点。从而保证负载两端的电压值是不变的。

稳压二极管的常见应用

TVS二极管

TVS全称是Transient Voltage Suppressor(瞬态电压抑制器)。

也是一种ESD保护二极管。参考:TVS二极管(ESD保护二极管) - 知乎

当TVS两端经受瞬间的高压时,它能以极高的速度(P秒级)使其迅速降低。在此过程中,TVS会流过一个大电流,并将其两端的电压钳位在一个特定的数值上,以保护后面的器件免受高压冲击而损坏。

和稳压管类似,TVS管也需要反接才能起到作用。

TVS二极管的电路符号和稳压二极管一样,从电路中无法区分,只能看型号。

TVS有单向和双向之分,单向TVS只能从一个方向进行保护,双向TVS既可以防护来自电源正极的浪涌,也可以防护来自电源负极的浪涌。

因为TVS管起到保护作用,所以一般特性如下:

响应速度要快;

瞬态功率要大;

漏电流低;

动作精度高;

体积小;

……

其伏安特性曲线如下:

正常情况下,TVS管工作在截止区,因此在电路中可以忽略,只有当电路中出现浪涌时,才会进入击穿区,瞬间导走大量电流,从而将电压钳制在一个稳定的值。

具体工作原理如下:

瞬态抑制TVS二极管是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的高效能防浪涌过电压器件。瞬变抑制二极管有单向与双向之分,单向TVS一般应用于直流供电电路,双向TVS二极管应用于电压交变的电路。当应用于直流电路时,单向TVS二极管反向并联于电路中,当电路正常工作时,TVS二极管处于截止状态(高阻态),不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS二极管击穿电压时,TVS二极管迅速由高电阻状态突变为低电阻状态,泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地,同时把异常过电压钳制在较低的水平,从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后,瞬变抑制TVS二极管阻值又恢复为高阻态。 

肖特基二极管

直接参考:什么是肖特基二极管?肖特基二极管工作原理详解,几分钟带你搞定 - 知乎

肖特基二极管,也被称为热载流子二极管,是一种具有低正向压降和非常快速的开关动作的半导体二极管。当电流流过肖特基二极管时,肖特基二级管端子上有一个小的电压降。普通二极管的电压压降在0.6V-1.7V之间,而肖特基二极管的电压降通常在0.15V-0.45V之间。

这种较低的电压降提供了更好的系统效率和更高的开关速度。在肖特基二极管中,半导体和金属之间形成了一个半导体-金属结,从而形成了肖特基势垒。N型半导体作为阴极,金属侧作为二极管的阳极。这种肖特基势垒导致低正向电压降和非常快速的开关。

电路符号如下:

两头有弯钩。

肖基特二极管内部结构

肖特基二极管是通过将掺杂的半导体区域(N型)与金属(例如金、银、铂)连接起来而形成的。不是PN结,而是金属-半导体,如下图所示。

具体原理直接参考上面那篇链接,此处略。

肖特基势垒二极管的VI特性

肖特基势垒二极管的 VI 特性与普通 PN 结二极管相似,但还是存在以下不同。

肖特基势垒二极管的正向压降比普通的PN结二极管低。由硅制成的肖特基势垒二极管的正向压降呈现出 0.3 伏至 0.5 伏的正向压降。

正向压降随着n型半导体掺杂浓度的增加而增加。由于载流子的高度集中,肖特基势垒二极管的 VI 特性比普通 PN 结二极管的 VI 特性更陡峭。

优点1:低正向导通压降

肖特基二极管的导通电压在硅二极管的0.2V-0.3V之间,而而标准硅二极管的导通电压在 0.6 到 0.7 伏之间。这使得它具有与锗二极管非常相同的开启电压。

优点2:快速恢复时间

由于其主要是自由电子作用,存储电荷少,所以恢复时间快,这意味着它可以用于高速开关应用。

优点3:低结电容

鉴于非常小的有源区域,通常由于在硅上使用线点接触,电容水平非常小。

优点4:性能更好

肖特基二极管将消耗更少的功率,可以轻松满足低压应用的要求。

缺点:较高反向电流

由于肖特基二极管是金属半导体结构,反接电压时更容易漏电流。

肖特基二极管的外观和性能与普通二极管非常相似,但肖特基二极管的一个独特特性是其极低的压降高开关速度

发光二极管和光电二极管

发光二极管

发光二极管是一种常用的发光器件,通过电子与空穴复合释放能量发光,它在照明领域应用广泛。 发光二极管可高效地将电能转化为光能,在现代社会具有广泛的用途,如照明、平板显示、医疗器件等。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。

光电二极管

注意:电路符号中的两个箭头是往里指的。

普通二极管在反向电压作用时处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光。

光电二极管是在反向电压作用下工作的。

没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流。光的强度越大,反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件。

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