《模電想說(shuō)愛(ài)你不容易》之無(wú)源器件篇：二極管，單向?qū)щ娦缘乃囆g(shù)

硬小妹：“李工，二極管具有單向?qū)щ娦裕┘臃聪螂妷簳r(shí)完全不導(dǎo)通嗎？”

油條李：“那是理想的二極管！”

硬小妹：“非理想的二極管呢？”

油條李：“非理想的二極管也就是現(xiàn)實(shí)中的二極管，現(xiàn)實(shí)哪有這么絕對(duì)啊？！”

依稀記得大學(xué)校園學(xué)習(xí)模電課程的第一章就是半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)，讓我們從微觀方面了解了本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，電子與空穴，PN結(jié)等等，那無(wú)數(shù)的新名詞和電子運(yùn)動(dòng)，日夜縈繞在心頭，揮之不去，成為我們模電考試的惡夢(mèng)！盡管這些微電子理論晦澀難懂，但它卻是制造半導(dǎo)體元器件的基礎(chǔ)，比如二極管就是根據(jù)PN結(jié)的特性制造的。二極管作為電子電路中常用的元器件，它有哪些特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)呢？下面我們一起學(xué)習(xí)一下吧！

一、二極管的分類(lèi)

二極管的種類(lèi)多種多樣，根據(jù)不同的分類(lèi)方式二極管可分為不同的類(lèi)型：

1.根據(jù)安裝方式分類(lèi)可分為：表貼型二極管和引線(xiàn)型二極管；

2.根據(jù)正向電流大小分類(lèi)可分為：小信號(hào)二極管和功率二極管；

3.根據(jù)制造工藝結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)可分為：平面型二極管和臺(tái)面型二極管；

4.根據(jù)特性的不同分類(lèi)可分為：整流二極管、開(kāi)關(guān)二極管、肖特基二極管、齊納二極管、高頻二極管，其中，整流二極管又可分為一般整流二極管、快速整流二極管和快速恢復(fù)二極管；高頻二極管又可分為檢波二極管、波段開(kāi)關(guān)二極管和PIN二極管。

盡管二極管有多種類(lèi)型，但根據(jù)頻率分類(lèi)可分為兩大類(lèi)：整流二極管和高頻二極管，因此，除了高頻二極管之外，其他類(lèi)型的二極管都是在一般整流二極管特性基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的！

二、二極管常見(jiàn)的類(lèi)型

在電路中不同二極管種類(lèi)的作用是不同的，我們要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的二極管類(lèi)型，常見(jiàn)的二極管類(lèi)型主要有以下幾種：

1.一般整流二極管。整流二極管的主要結(jié)構(gòu)組成是PN結(jié)，其作用是將交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，該過(guò)程需要配合大容量的電容實(shí)現(xiàn)；通過(guò)整流二極管組成整流橋，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的半波整流或者全波整流。一般整流二極管既具有耐壓值高、正向電流大的優(yōu)點(diǎn)，又有正向電壓大、反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，其常用的型號(hào)有1N4007、RL207、1N5408、5A10等等，常見(jiàn)的應(yīng)用電路如下圖所示：

圖源|ROHM官網(wǎng)

2.肖特基二極管。肖特基二極管的結(jié)構(gòu)組成是使用某種金屬與N型半導(dǎo)體結(jié)作為二極管，而不是PN結(jié)，這種結(jié)叫做肖特基結(jié)。相比于整流二極管，肖特基二極管具有正向電壓小、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有耐壓值低、反向漏電流大的缺點(diǎn)，常用于DC-DC轉(zhuǎn)換器電路、AC-DC轉(zhuǎn)換器的二次側(cè)電路等等，其常用的型號(hào)有BAT54、1N5819、SS24、SS34、SS54等等。肖特基二極管和整流二極管的特性對(duì)比曲線(xiàn)如下圖所示：

圖源|ROHM官網(wǎng)

3.開(kāi)關(guān)二極管。此種類(lèi)型的二極管具有開(kāi)關(guān)的功能，施加正向電壓時(shí)二極管導(dǎo)通，且導(dǎo)通電阻較小，一般為幾十歐姆至幾百歐姆；施加反向電壓時(shí)二極管截止，且導(dǎo)通電阻較大，一般為10兆歐以上。開(kāi)關(guān)二極管具有反向恢復(fù)時(shí)間短、結(jié)電容小的特點(diǎn)，因此常用在高頻信號(hào)電路當(dāng)中，其常用的型號(hào)有2AK系列、2CK系列、1N4148、BAV21W、2CK27系列、2CK29系列、FR系列等等。

圖源|ROHM官網(wǎng)

4.快恢復(fù)二極管。一般整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)到幾微秒至幾十微秒，而快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間相比一般整流二極管縮短了100倍左右，達(dá)到了幾十納秒至幾百納秒；一般整流二極管常用于500Hz以下的低頻信號(hào)電路當(dāng)中，而快恢復(fù)二極管常用于幾Khz至100Khz的高頻信號(hào)電路當(dāng)中。

5.齊納二極管。齊納二極管也稱(chēng)為穩(wěn)壓二極管，其原理利用的是PN結(jié)的反向特性，當(dāng)施加反向電壓超過(guò)一定電壓值時(shí)，二極管兩端的反向電壓值恒定在一定范圍之內(nèi)，不再變化，該電壓值稱(chēng)為擊穿電壓或者齊納電壓，利用該特性可應(yīng)用于恒壓源電路、參考電壓電路等。使用時(shí)應(yīng)注意齊納二極管的電流較小，避免過(guò)流；齊納二極管穩(wěn)壓的精度較低，不可應(yīng)用于需要高精度基準(zhǔn)源的電路當(dāng)中。

6.高頻二極管。高頻二極管由電阻值高的I型半導(dǎo)體制成，具有引腳間電容小的特點(diǎn)；其在正向電壓條件下具有可變電阻的特性，而在反向電壓條件下具有電容的特性，因此高頻二極管常用在高頻信號(hào)開(kāi)關(guān)、衰減器和AGC電路當(dāng)中。

圖源|ROHM官網(wǎng)

三、二極管常用的參數(shù)

我們?cè)谶x擇二極管型號(hào)的時(shí)候，要注意其各項(xiàng)參數(shù)的絕對(duì)最大額定值，不可超過(guò)規(guī)格書(shū)中的標(biāo)稱(chēng)值且要降額使用，以免影響二極管的使用壽命。二極管常用的參數(shù)主要有以下幾種：

1.二極管的符號(hào)。如下圖所示，二極管的陽(yáng)極用字母A表示，而陰極用字母K表示，那為什么陰極不用字母C表示呢？這是因?yàn)镃athode的發(fā)音首字母為K，于是后來(lái)將錯(cuò)就錯(cuò)，流傳了下來(lái)。在二極管表面是有極性絲印的標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)代表了二極管的陰極管腳方向。

圖源|TOSHIBA官網(wǎng)

2.反向重復(fù)峰值電壓（V_RRM）。該參數(shù)表征的是對(duì)二極管施加反向偏置電壓時(shí)，二極管能夠承受的反向電壓的最大持續(xù)重復(fù)電壓值,該值為峰峰值，如下圖所示。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，二極管的工作電壓需要等于或者小于該參數(shù)值，否則易造成二極管的擊穿損壞。

圖源|TSC

3.反向有效值電壓（V_RMS）。該參數(shù)表征的是一個(gè)交流正弦波施加到負(fù)載端的波形的有效值，因此，V_{RMS =} 0.707 x V_RRM，在整流電路當(dāng)中，我們應(yīng)關(guān)注該值的大小。

4.周期平均正向電流（I_(AV)）。該參數(shù)表征的是在特定溫度（室溫25℃）條件下，二極管正向的最大持續(xù)平均電流。隨著二極管流過(guò)的電流增大，其功率損耗也會(huì)增大，二極管溫度會(huì)升高，因此在高溫環(huán)境中，此參數(shù)應(yīng)降額使用。二極管的最大功率與溫度的關(guān)系如下圖所示：

圖源|TSC

5.浪涌峰值正向電流（I_FSM）。該參數(shù)表征的是在特定的溫度（室溫25℃）和特定的脈沖時(shí)間下，二極管能夠承受的非重復(fù)性且保持單一的浪涌電流的大小。由于浪涌電流的時(shí)間較短，一般為毫秒級(jí)別，因此二極管的I_FSM值的大小遠(yuǎn)大于I_(AV)值。

6.正向電壓（V_F）。該參數(shù)表征的是二極管流過(guò)正向電流I_(AV)時(shí)陽(yáng)極和陰極之間的電壓差的大小，當(dāng)I_(AV)增大時(shí)，V_F會(huì)表現(xiàn)出一定的電阻態(tài)，即平均動(dòng)態(tài)電阻rd，如下圖所示，因此二極管的正向電壓值V_F的值總是大于PN結(jié)的偏置電壓V_T的，比如硅半導(dǎo)體二極管的V_F值為1.1V大于其硅PN結(jié)的偏置電壓0.7V。

圖源|TSC

7.反向電流（I_R）。該參數(shù)表征的是二極管在反向擊穿電壓（V_BR）條件下的陰極到陽(yáng)極的電流大小，也稱(chēng)為漏電流，該參數(shù)一般為微安級(jí)別，越小越好，其大小會(huì)隨著溫度的升高而變大，因此，在低功耗產(chǎn)品當(dāng)中，應(yīng)注意溫度對(duì)二極管I_R大小的影響。

8.反向恢復(fù)時(shí)間（Trr）。該參數(shù)表征的是二極管由導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間大小，由于PN結(jié)中的載流子狀態(tài)的切換需要時(shí)間，因此二極管由正向電壓切換到反向電壓時(shí)，二極管不能立即關(guān)斷，而是需要一定的時(shí)間，該時(shí)間越小越好。

圖源|TSC

9.結(jié)電容（C_j）。該參數(shù)表征的是二極管在特定的V_RMS電壓下器件管腳兩端的電容大小，該參數(shù)越小越好，特別是高頻信號(hào)應(yīng)用電路當(dāng)中，應(yīng)注意此參數(shù)的大小。

四、二極管的應(yīng)用

在電子電路中，我們常見(jiàn)的二極管應(yīng)用場(chǎng)景主要有以下幾種：

1.防呆。在電源電路中，為防止人為無(wú)意的把電源正負(fù)線(xiàn)接反而導(dǎo)致電路板的損壞，可以在電源輸入正極端串接入一個(gè)二極管，這樣一來(lái)即使電源線(xiàn)接反也不會(huì)損壞板卡，此種方式簡(jiǎn)單、低成本，其缺點(diǎn)是存在一定的壓降。

2.鉗位。在信號(hào)處理電路中，利用二極管導(dǎo)通后其正向電壓基本不變的特點(diǎn)，可以作為電路中限幅元件使用，使輸入信號(hào)或者輸出信號(hào)的幅值限定在一定電壓范圍之內(nèi)，比如MCU芯片的GPIO管腳內(nèi)部電路中一般具有兩個(gè)鉗位二極管，以避免異常信號(hào)損傷MCU。

3.續(xù)流。在DC-DC電源電路或者繼電器等存在感性元件的電路中，通過(guò)二極管與感性元件構(gòu)成電流回路，起到續(xù)流的作用。

4.開(kāi)關(guān)。利用開(kāi)關(guān)二極管的特性，可以組成簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)電路、波形轉(zhuǎn)換電路等等。

5.檢波。利用檢波二極管的特性，從高頻信號(hào)中篩選出低頻信號(hào)，此種二極管常見(jiàn)于收音機(jī)電路當(dāng)中。

6.顯示。能夠發(fā)光的二極管稱(chēng)為L(zhǎng)ED，它能夠發(fā)出不同顏色的光，可以用來(lái)指示系統(tǒng)不同的運(yùn)行狀態(tài)。

結(jié)語(yǔ)

二極管的功能強(qiáng)大且多樣，已成為電子電路中不可或缺的元器件，它就像電路板間鐵面無(wú)私的衛(wèi)士，信號(hào)只能直行，不可逆行，兢兢業(yè)業(yè)地守護(hù)著它的領(lǐng)地，日復(fù)一日，總歸英雄遲暮，于是，信號(hào)來(lái)回穿梭，無(wú)懼它的威嚴(yán)，終于，它決定關(guān)閉自己的領(lǐng)地大門(mén)，結(jié)束這電子世界的嘈雜，等待下一個(gè)輪回！