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二极管的作用、原理、特性及用途

来源:  发布时间:2018-03-14   点击量:445

  二极管可能是电子工程师最常听到和最常用到的元器件之一了,本文将详细介绍关于二极管的基础知识,供大家参阅。


  一、概述


  相对于被动器件(如:电阻、电容、电感),二极管(英文:Diode)是半导体领域一个相当重要的基础器件,今天我们就走进精彩的二极管半导体世界吧!


  二极管是一种具有两个电极(一般用A、K极表示)的半导体器件,它最具特性的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为正向偏压),反向时阻断 (称为反向偏压)。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流(Rectifying)”功能,许多的使用是应用其整流功能的。二极管的这种单向导通的特性,简单可口述为“正向导电,反向不导电”。


  二、工作原理


  现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗,它是一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成了空间电荷层,并且建有自建电场,当不存在外加电压时,因为p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当产生反向电压偏置时,外界电场与自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围中与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0(这也就是不导电的原因。


  而当产生正向电压偏置时,外界电场与自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。


  三、二极管的特性


  二极管具有单向导电性,其典型伏安特性曲线见。当二极管两端加上正向偏压时,当电压值较小时,电流极小;对于硅二极管,当电压超过0.6V时,电流开始按指数规律增大,通常称此为二极管的开启电压;当电压达到约0.7V时,二极管处于完全导通状态,通常称此电压为二极管的导通电压,用符号VF表示。


  对于锗二极管,开启电压为0.2V,导通电压VF约为0.3V。在二极管加有反向电压,当电压值较小时,电流极小,其电流值为反向饱和电流IS。


  特别的,当外加的反向电压高到一定程度时,p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,电流开始急剧增大,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象,对应的称此电压为二极管的反向击穿电压,用符号VBR表示。不同型号的二极管的击穿电压VBR值差别很大,从几十伏到几千伏。


  四、二极管的种类


  二极管种类有很多,按照所用的半导体材料,可分为锗二极管(Ge管)和硅二极管(Si管)。根据其不同用途,可分为检波二极管、整流二极管(如1N4001、M7等等)、稳压二极管、开关二极管(如1N4148)、肖特基二极管、发光二极管、光电二极管、激光二极管、变容二极管等等。按照管芯结构,又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面,通以脉冲电流,使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起,形成一个“PN结”。由于是点接触,只允许通过较小的电流(不超过几十毫安),适用于高频小电流电路,如收音机的检波等,这类典型的二极管型号如:IN60。面接触型二极管的“PN结”面积较大,允许通过较大的电流(几安到几十安),主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管,它不仅能通过较大的电流,而且性能稳定可靠,多用于开关、脉冲及高频电路中。


  五、二极管的主要参数


  1. 额定正向工作电流


  额定正向工作电流指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过二极管会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度,就会使管芯过热而损坏,所以二极管使用中不要超过规定的工作电流值。硅管容许温度约为140oC,锗管约为90oC。常用的IN4001的额定正向工作电流为1A。


  2.二极管的正向电压降


  它是指二极管导通时,二极管两端产生的正向电压降。此值越小越好。


  3. 最高反向工作电压


  加在二极管两端的反向工作电压高到一定值时,管子将会击穿,失去单向导电能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工作电值。例如,lN4001二极管反向耐压为50V,lN4007的反向耐压为1000V。


  4.反向电流


  是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下,流过二极管的反向电流。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10oC,反向电流增大一倍。例如2APl型锗二极管, 在25℃时,反向电流为250 μA,温度升高到35℃,反向电流将上升到500 μA,在75℃时,它的反向电流已达8mA,不仅失去了单方向导电特性,还会使管子过热而损坏。硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。


  5. 反向恢复时间


  从正向电压变成反向电压时,电流一般不能瞬时截止,要延迟一点点时间,这个时间就是反向恢复时间。它直接影响二极管的开关速度。


  6. 耗散功率


  耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM,是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。二极管的耗散功率与允许的节温有关,硅二极管允许的最大节温是150℃,而锗允许最大节温85℃。半导体工作温度是有限的,当实际的功率增大是,其节温也将变大,当节温达到150℃是,此时的功率就是最大的耗散功率。当然,耗散功率与封装大小也有一定的关系,通常封装大点的器件,其最大耗散功率也相对大点,最常见的就是大功率器件拥有大体积,大面积的散热金属面。


  一个具体型号的二极管其耗散功率与测试条件有关,比如测试环境温度和散热条件。耗散功率与环境温度有关,温度越大,耗散功率越小。通常情况下,测试出来的最大耗散功率是在25℃下。随着环境温度的升高,其最大的耗散功率将减少,因为该条件下的导热温差变小,比如说在25℃下,某二极管耗散功率能达到1W,在75℃情况下,耗散功率可能变成0.4W。允许最大耗散功率与散热条件有关,散热条件越好,耗散功率越高,在同一环境温度下,耗散功率为1W,加了散热片之后,耗散功率可能变为1.7W。


  关于散热条件,表征散热措施的一个参数是热阻。热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。热阻跟电子学里的电阻类似,都是反映“阻止能力”大小的参考量。热阻越小,传热能力越强;反之,热阻越大,传热能力越小。从类比的角度来看,热量相当于电流,温差相当于电压,热阻相当于电阻。其中,热阻Rja:芯片的热源结到周围冷却空气的总热阻,其单位是℃/W,表示在1W下,导热两端的温差。


  在设计过程中,人们更关注器件工作时的温度,以确保在安全的工作范围。以1N4448HWS为例,在环境温度为25℃情况下,实际功率为100mW时,其温度为25+625*0.1=87.5℃,其能正常工作;当实际功率为200mW时,其温度为25+625*0.2=150℃,这时候已经达到节温的最大温度了,比较危险,应当避免。


  六、二极管的应用


  1.整流


  整流二极管主要用于整流电路,即把交流电变换成脉动的直流电。整流二极管都是面结型,因此结电容较大,使其工作频率较低,一般为3kHZ以下。


  2.开关


  二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如同一只断开的开关。利用二极管的单向开关特性,可以组成输入保护电路。


  3.限幅


  二极管正向导通后,它的正向压降基本保持不变(硅管为0.7V,锗管为0.3V)。利用这一特性,在电路中作为限幅元件,可以把信号幅度限制在一定范围内。如下图所示,为了限制集成运放的差模输入电压,保护其输入级,可加二极管限幅电路。


  4.续流


  在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用。


  5.检波


  检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出。它们的结构为点接触型。其结电容较小,工作频率较高,一般都采用锗材料制成。


  6.阻尼


  阻尼二极管多用在高频电压电路中,能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流,一般用在电视机电路中, 常用的阻尼二极管有D2499、2CN2、BSBS44等。


  7.显示


  常用用于各种电子设备等显示器上LED指示灯、 LED数码管、LED显示屏等等。


  8.稳压


  这种管子是利用二极管的反向击穿特性制成的,在电路中其两端的电压保持基本不变,起到稳定电压的作用, 如下图所示。常用的稳压管有2CW55、2CW56等。


  9.触发


  触发二极管又称双向触发二极管(DIAC)属三层结构,具有对称性的二端半导体器件。常用来触发双向可控硅;在电路中作过压保护、触发电路 等用途。

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