硬件元器件-二极管

二极管基础

 半导体材料，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料；
 本征半导体，不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体；

 在极低温度下，半导体的价带是满带(能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。电子导电时，等电量的空穴会沿其反方向运动，因此空穴导电并不是实际运动，而是一种等效。它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射(发光)或晶格的热振动能量(发热)。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子-空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。

二极管原理

二极管的构成

二极管是一种由半导体材料制成的一种具有单向导电性能的电子元器件。

 在二极管上，常用的半导体材料有元素半导体：四价硅和锗；化合物半导体：砷化镓。四价，就是最外层有四个电子。纯净的半导体称为本征半导体，其导电能力较差，不适合直接用来制造半导体器件。一般在本征半导体中，通过扩散工艺加入少量合适的杂质元素，得到电气特性更合适的杂质半导体。例如P型半导体，就是在本征半导体中掺入三价元素(如硼)，使其取代晶格硅中一些硅原子的位置，三价元素最外层只有三个电子，从而形成了空穴；N型半导体，就是在本征半导体中加入了五价元素(如磷)，五价元素最外层有五个电子，多出的一个电子容易成为自由电子，从而增加了本征半导体的导电性。

PN结的形成：
 P区内空穴和N区内自由电子多，称为多子，P区内自由电子和N区内空穴几乎为零，称为少子。P型半导体和N型半导体结合形成PN结后，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。

 由于P区的空穴浓度比N区高，空穴就往N区扩散，而N区的自由电子浓度比P区高，自由电子往P区扩散，这就是扩散作用。P区和N区里面的杂质离子不能任意移动。在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，在这个区域内，多子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了。P区和N区里面的杂质离子相互作用，N区杂质离子带正电荷，P区杂质离子带负电荷，在空间电荷区形成了内电场。而扩散运动的进行会使空间电荷区变宽，增强这个内电场，反过来，增宽的空间电荷区会抑制扩散运动。

 这个内电场一方面阻止了扩散运动的进行，另一方面会使自由电子(少子)从P区往N区漂移，空穴(少子)从N区往P区漂移。总结来说多子运动叫做扩散运动，少子运动就是漂移运动，当两种运动达到动态平衡就产生了PN结。

PN结加上相应的电级引线和管壳封装，就构成了半导体二极管。由P区引出的电极成为了正极，由N区引出的电极成为了负极。

二极管的工作原理

 当不存在外加电压时，PN结内部的由于载流子浓度差引起的扩散运动和内电场引起漂移运动处于平衡状态。

 当外界存在正向电压偏置时，电流方向由P区流向N区，和PN结内部的内电场相反，外界电场与内电场互相抑制。当外界电压大于内电场电压时，内电场被抵消，有利于扩散运动的进行，空间电荷区(势垒区)慢慢变成了P区和N区，当空间电荷区越来越薄，直到最薄的时候这时候会形成一个扩散电流，这时候二极管处于导通状态，这时候的电压称为导通电压。

 当外界存在反向电压偏置时，电流流动的方向和内电场的方向相同，增强了内电场，使得空间电荷区变宽。空穴会被拉向P区的方向，电子会被拉向N区的方向，从而阻止了扩散运动，形成了反向漏电流，这就是截止状态。

二极管工作的原理简单概括为：
PN结具有单向导电性。
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流;
PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

二极管电气特性

伏安特性曲线

 二极管的伏安特性曲线如图1所示：

图1 二极管伏安特性曲线

 通过伏安特性曲线，可以分析说明二极管的一些特性：

正向特性
 对二极管施加正向电压时，由于PN结内电场的存在，二极管不会立即导通，二极管电流趋近于0。只有当电压大于一定值时(死区电压)，二极管才会开始导通，在室温时，硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。当流过二极管的电流较大时，二极管两端电压基本保持不变，图中 V F V_F VF​为导通电流为 I F I_F IF​时的导通电压。

反向特性
 图1中， V R V_R VR​是反向电压。对二极管施加反向电压，当电压比较小时，二极管反向截止，此时存在很小的反向漏电流。

 由二极管的正向与反向特性可直观的看出：1、二极管是非线性器件；2、二极管具有单向导电性。

反向击穿特性
 图中 V Z V_Z VZ​是反向击穿电压。当反向电压增加到一定数值时，二极管被反向击穿，反向电流会急剧增大，反向电压基本保持稳定。二极管击穿后不再具有单向导电性，但反向击穿并不意味着二极管损坏。

温度特性

 当正向电压不变时，温度升高，加速了多数载流子的扩散运动，即增大了正向导通电流，第一象限特性曲线向左移；当反向电压不变时，温度升高，加速了少数载流子的漂移运动，即增大了反向漏电流，第三象限特性曲线向下移。
 总的来说，温度升高会导致正向特性左移(导通电压降低，正向压降降低)，反向特性下移(反向电流增加)。

击穿

电击穿

雪崩击穿
 随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量也随之增加。当反向电压接近击穿电压 V Z V_Z VZ​时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子-空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿。所以把这种击穿称为雪崩击穿。
 雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较低的PN结，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。

齐纳击穿
 当反向电压增大到一定值时，势垒区内就能建立起很强的电场，它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来，使势垒区产生大量的电子-空穴对，形成较大的反向电流，产生击穿。
 把这种在强电场作用下，使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。
 齐纳击穿一般发生在掺杂浓度较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较高的PN结，空间电荷区的电荷密度很大，宽度较窄，只要加不大的反向电压，就能建立起很强的电场，发生齐纳击穿。

区别
 PN结反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿，一般两种击穿同时存在，但在电压低于5-6V时的击穿以齐纳击穿为主，而电压高于5-6V时的击穿以雪崩击穿为主。

• 电压低于5-6V的稳压管，齐纳击穿为主，稳压管的温度系数为负。电压高于5-6V的稳压管，雪崩击穿为主，稳压管的温度系数为正。电压在5-6V之间的稳压管，两种击穿程度相近，温度系数最好，这就是为什么许多电路使用5-6V稳压管的原因。稳压管的原理决定了它的反应速度不快，速度要求高的场合使用二极管+基准电压。

热击穿

 在使用二极管的过程中，如由于反向电流和反向电压过大，使得PN结功耗变大，超过PN结的允许功耗，温度上升直到过热使PN结击穿的现象叫热击穿。
 热击穿后二极管将发生永久性损坏。

二极管关键参数

I F I_F IF​：最大整流电流(Forward Continuous Current)

 最大整流电流 I F I_F IF​指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，是根据运行温升折算出来的平均电流值。目前最大功率整流二极管的 I F I_F IF​值可达1000A。

I O I_O IO​：平均整流电流(PEAK Average Rectified Output Current)

 在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。

 有些二极管上并没有 I F I_F IF​这个参数，只有 I O I_O IO​，此时 I O I_O IO​就可以认为是最大整流电流。

I F S M I_{FSM} IFSM​：正向浪涌电流(Forward Surge Current)

 浪涌电流，是允许流过的瞬间电流，超过这个值会损坏二极管。

I R I_R IR​：反向漏电流(Reverse current)

 反向漏电流是指二极管在规定的温度和反向电压作用下，流过二极管的反向电流，该电流与半导体材料和温度有关。
 反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。反向电流与温度密切相关，大约温度每升高10℃，反向电流增大一倍。在常温下，硅管的 I R I_R IR​为nA ( 1 0 − 9 10^{-9} 10−9A)级，锗管的IR为mA ( 1 0 − 6 10^{-6} 10−6A)级。

最高反向电压

V R R M V_{RRM} VRRM​：反向重复峰值电压(Peak Repetitive Peak Reverse Voltage)
 即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。比如交流信号是正弦曲线，每个周期都会有一个最高点，这个最高点就可以说是，重复峰值电压。
 因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。

V R M V_{RM} VRM​：反向不重复峰值电压(Non-Repetitive Peak Reverse Voltage)
 不重复峰值电压，通常由外部因素引起，半导体整流二极管两端出现的任何不重复最大瞬时值的瞬态方向电压。
最大反向峰值电压 V R M V_{RM} VRM​指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前最高的 V R M V_{RM} VRM​值可达几千伏。

V R V_R VR​：直流反向电压(DC Blocking Voltage)
  V R V_R VR​是连续加直流电压的值。用于直流电流，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。

I F S M I_{FSM} IFSM​：正向浪涌电流(Forward Surge Current)

 浪涌电流，是正常使用时能流过的瞬态正向电流，超过这个值会损坏二极管。

C T C_T CT​：结电容(Diode junction capacitance)

 这个结电容的大小直接表示了二极管的频率特性。
 由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路，导致二极管失去单向导电性，不能工作。PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。
 结电容决定了二极管的最高开关频率 f M f_M fM​。

t r r t_{rr} trr​：反向恢复时间(Reverse recovery time)

 从正向电压变成反向电压时，电流一般不能瞬时截止，要延迟一点时间，这个时间就是反向恢复时间。反向恢复时间决定了二极管的开关速度。

P P P：最大功率

 二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。最大功率P为功率的最大值。具体讲就是加载二极管两端的电压乘以流过的电流。

二极管分类

按半导体材料划分

锗二极管、硅二极管等

• 硅二极管的温度特性比锗二极管好，在同等散热条件下，硅二极管就能得到更大的载流量；
• 硅二极管的反向漏电流更小，因而硅二极管的反向耐压要比锗二极管高得多，使用寿命长；
• 在电流相同时，锗管的直流电阻小于硅管的直流电阻；
• 硅二极管的死区电压大于锗二极管的死区电压。

按二极管用途划分

肖特基二极管

 肖特基二极管，需要特别说明的是，它不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。肖特基二极管具有开关频率高，反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向压降低(正向导通压降仅0.4V左右)等特点。缺点是耐压比较低，漏电流稍大。

选型
 选用时主要考虑最大整流电流、最大反向工作电流、封装、抗浪涌电流等参数，优选表贴小型化封装。

TVS瞬态抑制二极管

 TVS(Transient Voltage Suppressors)，即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。
 TVS有单向与双向之分，单向TVS一般适用于直流电路，双向TVS一般适用于交流电路中，双向也可以用于直流电路之中。
 TVS管在电路中一般工作于反向截止状态，不影响电路的任何功能，当两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。干扰脉冲过去后，TVS又转入反向截止状态。由于在反向导通时，其箝位电压低于电路中其它器件的最高耐压，因此起到了对其它元器件的保护作用。

选型

• 选择TVS最高工作电压 V R W M V_{RWM} VRWM​；
• 选择TVS钳位电压 V C M A X V_{CMAX} VCMAX​；
• 选择TVS的功率 P P P；
• 评估漏电流 I R I_R IR​；
• 评估结电容；

 对于 V R W M V_{RWM} VRWM​和 V C M A X V_{CMAX} VCMAX​，TVS管的最大钳位电压 V C M A X V_{CMAX} VCMAX​不大于电路的最大允许安全电压，最大反向工作电压 V R W M V_{RWM} VRWM​大于电路的最大工作电压，一般可选择 V R W M V_{RWM} VRWM​略大于电路工作电压，参考：1.1倍至1.2倍工作电压。

 TVS器件的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率。在选择用于保护的TVS管时，设计人员要计算回路中的脉冲时间（如RC回路的脉冲时间 t P t_P tP​大约等于 R × C R\times C R×C），以确定选用的TVS管的脉冲功率。TVS管的峰值脉冲功率与脉冲持续时间有一定的关系，脉冲持续时间越大，峰值脉冲功率越小，反之则越大。

 选用TVS管作为数据信号线的保护时(如高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合)，要考虑TVS管结电容对信号波形的影响，应选用小结电容器件。另外也不应单独地强调减小电容，小电容的器件有一部分是以牺牲浪涌功率来获得的，在选用时应在结电容与浪涌功率两者间综合考虑。

ESD静电保护二极管

 ESD二极管其实和TVS二极管原理是一样的，也是为了保护电，主要功能是防止静电。
 静电防护的前提条件就要求其电容值要足够地低，一般在1pF-3.5pF之间最好，主要应用于板级保护。

• 与TVS二极管相比，ESD二极管的功率一般较低，ESD选型的时候主要看的是他的抗静电等级。
• ESD二极管功能是防静电，主要应用于板级保护。TVS二极管功能是防浪涌过电压，主要应用于电源电路初级和次级保护。
• ESD二极管的结电容比TVS二极管更低。

稳压二极管(齐纳二极管)

 稳压二极管，又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。

 稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，在这一临界击穿点上，反向电阻骤然降至很小值。尽管电流变化很大，但二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近。

选型

• 设计时，应考虑电压的容差，即电压的变化范围应尽可能的大
• 稳压二极管使用一般都需要串联一个电阻做限流电阻用，因为一般来说稳压二极管的功率比较小
• 稳压二极管可以串联起来获得更高的稳定电压

发光二极管

 砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。

 发光二极管是电流型器件，且亮度与电流不是线性关系，电流大到一定值时，亮度变化不大，超过最大正向电流时会烧坏LED。

 红色的压降为2.0-2.2V，黄色的压降为1.8—2.0V，绿色的压降为2.0-2.4V。

 信号用绿色，电源用红色。

 使用大概率LED时，需仔细考虑LED的散热问题

 LED呈负温度系数，温度越高，电阻越小。如果采用恒压源驱动，电流会变大，造成恶性循环，因此一般采用恒流源驱动LED。

快恢复二极管

 快速恢复二极管与普通二极管相似，但制造工艺与普通一极管有所不同。在靠近PN结处的掺杂浓度很低，以此获得较高的开关速度和较低的正向压降。与肖特基二极管相比，其耐压值要高得多。它主要用作高速整流元件，在开关电源和逆变电源中作整流一极管，以降低关断损耗，提高效率和减小噪声。

选型

• 选用时主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数
• 对于 V R W M V_{RWM} VRWM​的选择，通常要求 V R W M V_{RWM} VRWM​不小于3倍的线路的工作电压
• 在器件的选型时，应尽量选用热阻小，允许结温高的器件

整流二极管

 整流二极管一种利用二极管单向导电的特性，将交流电转变为直流电的二极管，整流二极管一般为平面型硅二极管。整流二极管正反向电阻相差很大，且反向电阻接近于无穷大。

选型
 选用时主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。
 普遍串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管或选择快恢复二极管。

开关二极管

选型

• 主要考虑正向额定电流、反向重复工作电压、正向压降及开关过程中的损耗等参数

PIN二极管

 PIN二极管，是一种在光通信中普遍使用的光电二极管。普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN二极管。

变容二极管

 变容二极管，是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。
 选用时主要考虑偏压范围以及相应的容值，在使用时所提供的电压范围对应的变容比应满足要求。对于频率发生器还要求在此电压范围内的电容变化线性要好。另外电压的变化不能超过器件的最大重复工作电压

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