一文讀懂二極管的必備基礎(chǔ)知識(shí)

二極管作為最基礎(chǔ)的晶體管，在電子電路應(yīng)用中無(wú)所不在，博主在電路小課堂專欄里面的電路總結(jié)，不管是電平轉(zhuǎn)換電路，電源自動(dòng)切換電路，防反接電路，都有二極管的影子。

雖然二極管很基礎(chǔ)，相對(duì)其他晶體管來(lái)說(shuō)它是簡(jiǎn)單的，但是他的種類繁多，不同的類型應(yīng)用場(chǎng)景也不相同，那么在我們平時(shí)電路設(shè)計(jì)上如何選擇合適的二極管，以及了解不同種類的二極管的應(yīng)用場(chǎng)景就很重要了。

01

正向?qū)▔航?

壓降：二極管的電流流過(guò)負(fù)載以后相對(duì)于同一參考點(diǎn)的電勢(shì)(電位)變化稱為電壓降，簡(jiǎn)稱壓降。導(dǎo)通壓降：二極管開始導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓。

正向特性：在二極管外加正向電壓時(shí)，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的阻擋作用，正向電流幾乎為零。當(dāng)正向電壓大到足以克服PN結(jié)電場(chǎng)時(shí)，二極管正向?qū)?，電流隨電壓增大而迅速上升。

反向特性：外加反向電壓不超過(guò)一定范圍時(shí)，通過(guò)二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。反向電壓增大到一定程度后，二極管反向擊穿。

正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流的關(guān)系

在二極管兩端加正向偏置電壓時(shí)，其內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)域變窄，可以有較大的正向擴(kuò)散電流通過(guò)PN結(jié)。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V)以后，二極管才能真正導(dǎo)通。但二極管的導(dǎo)通壓降是恒定不變的嗎?它與正向擴(kuò)散電流又存在什么樣的關(guān)系?通過(guò)下圖1的測(cè)試電路在常溫下對(duì)型號(hào)為SM360A的二極管進(jìn)行導(dǎo)通電流與導(dǎo)通壓降的關(guān)系測(cè)試，可得到如圖2所示的曲線關(guān)系：正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流成正比，其浮動(dòng)壓差為0.2V。從輕載導(dǎo)通電流到額定導(dǎo)通電流的壓差雖僅為0.2V，但對(duì)于功率二極管來(lái)說(shuō)它不僅影響效率也影響二極管的溫升，所以在價(jià)格條件允許下，盡量選擇導(dǎo)通壓降小、額定工作電流較實(shí)際電流高一倍的二極管。

圖1 二極管導(dǎo)通壓降測(cè)試電路

圖2 導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流關(guān)系

在我們開發(fā)產(chǎn)品的過(guò)程中，高低溫環(huán)境對(duì)電子元器件的影響才是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的最大障礙。環(huán)境溫度對(duì)絕大部分電子元器件的影響無(wú)疑是巨大的，二極管當(dāng)然也不例外，在高低溫環(huán)境下通過(guò)對(duì)SM360A的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表1與圖3的關(guān)系曲線可知道：二極管的導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度成反比。在環(huán)境溫度為-45℃時(shí)雖導(dǎo)通壓降最大，卻不影響二極管的穩(wěn)定性，但在環(huán)境溫度為75℃時(shí)，外殼溫度卻已超過(guò)了數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的125℃，則該二極管在75℃時(shí)就必須降額使用。這也是為什么開關(guān)電源在某一個(gè)高溫點(diǎn)需要降額使用的因素之一。

表 1 導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度關(guān)系曲線

02

額定電流、最大正向電流IF

額定電流IF指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，根據(jù)運(yùn)行溫升折算出來(lái)的平均電流值。目前最大功率整流二極管的IF值可達(dá)1000A。

是指二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流值，其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)管子時(shí)會(huì)使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過(guò)容許限度(硅管為141左右，鍺管為90左右)時(shí)，就會(huì)使管芯過(guò)熱而損壞。所以在規(guī)定散熱條件下，二極管使用中不要超過(guò)二極管最大整流電流值。例如，常用的IN4001-4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。

03

最大平均整流電流Io

最大平均整流電流IO：在半波整流電路中，流過(guò)負(fù)載電阻的平均整流電流的最大值。折算設(shè)計(jì)時(shí)非常重要的值。

04

最大浪涌電流IFSM

運(yùn)行流過(guò)的過(guò)量的正向電流。不是正常的電流，而是瞬間電流，這個(gè)值相當(dāng)大。

05

最大反向峰值電壓VRM

即使沒(méi)有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會(huì)使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時(shí)電壓，而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達(dá)幾千伏。

06

最大反向電壓VR

上述最大反向峰值電壓是反復(fù)加上的峰值電壓，VR是連續(xù)加直流電壓的值。用于直流電流，最大直流反向電壓對(duì)于確定允許值和上限值是很重要的。

07

最高工作頻率fM

由于PN結(jié)的結(jié)電容存在，當(dāng)工作頻率超過(guò)某一值時(shí)，它的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。點(diǎn)接觸式二極管的fM值較高，在100MHz以上;整流二極管的fM較低，一般不高于幾千Hz。

08

反向恢復(fù)時(shí)間Trr

當(dāng)正向工作電壓從正向電壓變成反向電壓時(shí)，二極管工作的理想情況是電流能瞬時(shí)截止。實(shí)際上，一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間。決定電流截止延時(shí)的量，就是反向恢復(fù)時(shí)間。

09

最大功率P

二極管中有電流流過(guò)，就會(huì)吸熱，而使自身溫度升高。最大功率P為功率的最大值。具體講就是加載二極管兩端的電壓乘以流過(guò)的電流。這個(gè)極限參數(shù)對(duì)穩(wěn)壓二極管，可變電阻二極管顯得特別重要。

10

反向飽和漏電流IR

指在二極管兩端加入反向電壓時(shí)，流過(guò)二極管的電流，該電流與半導(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。在常溫下，硅管的IR為nA(10-9A)級(jí)，鍺管的IR為mA(10-6A)級(jí)。

11

降額(結(jié)溫降額)

降額可以提高產(chǎn)品可靠性，延長(zhǎng)使用壽命，根據(jù)溫度降低10℃壽命增加一倍的理論，下面列出了不同額定結(jié)溫的管子最小降額結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。

表1 二極管降額

12

什么是肖特基二極管?

肖特基二極管是一種利用肖特基勢(shì)壘工藝的二極管，和普通的PN結(jié)二極管相比，其優(yōu)點(diǎn)：更快的反向恢復(fù)時(shí)間，很多稱之為0反向恢復(fù)時(shí) 間。雖然并不是真的0反向恢復(fù)時(shí)間，但是相對(duì)普通二極管要快非常多。其缺點(diǎn)：反向漏電流比較大，所以沒(méi)法做成高壓的二極管。目前的肖特基二極管,基本都是 200V以下的。雖然有些公司可以提供高壓的肖特基硅二極管，但是也是將幾個(gè)二極管串聯(lián)之后封裝在一起。當(dāng)然也有公司稱有獨(dú)特的工藝，可以制造高壓肖特基 二極管，但并不知曉是什么樣的工藝。

13

可靠性設(shè)計(jì)

正確選用器件及器件周邊的線路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等來(lái)控制器件在整機(jī)中的工作條件，防止各種不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力或者操作給器件帶來(lái)?yè)p傷，從而最大限度地發(fā)揮器件的固有可靠性。

14

容差設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)單板時(shí)，應(yīng)放寬器件的參數(shù)允許變化的范圍(包括制造容差、溫度漂移、時(shí)間漂移)，以保證器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，單板能正常工作。

15

在RCD鉗位電路中，二極管到底選慢管，還是快管?

RCD電路常用于一些需要鉗位的場(chǎng)合，比如flyback原邊MOS的電壓鉗位，次級(jí)整流管的電壓鉗 位。有些技術(shù)文獻(xiàn)說(shuō)應(yīng)該用慢恢復(fù)管，理由是慢恢復(fù)管由于其反向恢復(fù)時(shí)間比較長(zhǎng)，這樣鉗位電容中的一部分能量會(huì)在二極管反向恢復(fù)過(guò)程中回饋給電路，這樣整個(gè) RCD電路的損耗可以降低。不過(guò)這個(gè)只適合小電流，低di/dt的場(chǎng)合。比如小功率flyback的原邊鉗位電路。但是不適合大電流，高di/dt的鉗位 場(chǎng)合，比如大電流輸出的電源的次級(jí)鉗位電路。因?yàn)椋謴?fù)管在導(dǎo)通的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很高導(dǎo)通壓降尖峰，導(dǎo)致雖然鉗位電容上的電壓很低，但是卻沒(méi)法鉗住尖峰電 壓。所以應(yīng)該選擇肖特基二極管之類。