工程师常用电子元器件专题第二弹来了,此次为大家带来的是二极管的介绍。二极管作为电子工程师最常用的电子元器件之一,在电路中起到了至关重要的作用,也是各位工程师们日常工作中接触十分密切的基础元器件。这次的专题将带大家走近这个熟悉却又陌生的小伙伴--二极管。

二极管的基础介绍

二极管,(英语:Diode),电子元件当中,一种具有两个电极的装置,只允许电流由单一方向流过,许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管(Varicap Diode)则用来当作电子式的可调电容器。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。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为顺向偏压),反向时阻断 (称为逆向偏压)。因此,二极管可以想成电子版的逆止阀。

二极管的起源

弗莱明实验中的灯泡
弗莱明 • 约翰 • 安布罗斯(Fleming John Ambrose,1849—1945),英国电气工程师、物理学家。
1870 年,弗莱明毕业于伦敦大学并留校任教。 1877 年转入剑桥大学,成为著名物理学家麦克斯韦的助手。 1885 年,弗莱明成为剑桥大学第一位电气工程教授。后来,他在爱迪生设在伦敦的事务所里当顾问,又同无线电的发明者、意大利发明家马可尼合作进行研究。弗莱明在马可尼电报公司工作时,一直在寻求一种可靠的检波手段,1885年,“爱迪生效应”引起了他的强烈兴趣,他认识到如果在真空灯泡里装上碳丝和铜板,分别充当阴极和阳极,则灯泡里的电子就能实现单向流动,那么就可以实现一个有效检测微弱电报信号的检波器了。 1904年,经过反复实验,弗莱明于研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊“灯泡”,他把它叫做“热离子阀”,这就是世界上第一只电子管,也是人们后来所说的“真空二极管”。真空二极管的发明标志着人类进入了无线电时代。

二极管的分类与作用

  • 检波二极管

    检波(也称解调)二极管的作用是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来,广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中,其工作频率较高,处理信号幅度较弱。

    常用的国产检波二极管有2AP系列锗玻璃封装二极管。常用的进口检波二极管有1N34/A、1N60等。
  • 整流二极管

    整流二极管(rectifier diode)是一种可以将交流电能转换为直流电能的半导体器件,具有单向导电性,通常包含一个PN结,有正、负极两个端子,而电流只能由正极流入、负极流出。
    通常它包含一个PN结,有正极和负极两个端子。P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子,在P区和N区间形成一定的位垒。
  • 限幅二极管

    用来做限幅用的二极管称为限幅二极管。所谓限幅,就是将信号的幅值限制在所需要的范围之内。由于通常所需要限幅的电路多为高频脉冲电路、高频载波电路、中高频信号放大电路、高频调制电路等,故要求限幅二极管具有较陡直的U-I特性,使之具有良好的开关性能。
  • 调制二极管

    通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途,但它们通常是直接作为调频用。
  • 开关二极管

    开关二极管是半导体二极管的一种,是为在电路上进行"开"、"关"而特殊设计制造的一类二极管。它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短,常见的有2AK、2DK等系列,主要用于电子计算机、脉冲和开关电路中。
  • 变容二极管

    用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压,使其PN结的静电容量发生变化。因此,被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。
  • 稳压二极管

    稳压二极管,英文名称Zener diode,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。,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更高的稳定电压。
  • PIN型二极管

    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。正因为有本征(Intrinsic)层的存在,PIN 二极管应用很广泛,从低频到高频的应用都有,主要用在RF领域,用作RF 开关和RF保护电路,也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。
  • 发光二极管

    发光二极管是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能。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。
  • 雪崩二极管

    它是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是栾的:利用雪崩击穿对晶体注入载流子,因载流子渡越晶片需要一定的时间,所以其电流滞后于电压,出现延迟时间,若适当地控制渡越时间,那么,在电流和电压关系上就会出现负阻效应,从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的振荡电路中。
  • 肖特基二极管

    肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD)的简称。SBD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。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。
  • 阻尼二极管

    阻尼二极管多用在高频电压电路中,具有较高的反向工作电压和峰值电流,正向压降小,高频高压整流二极管,用在电视机行扫描电路作阻尼和升压整流用。常用的阻尼二极管有2CN1、2CN2、BSBS44等。

二极管的结构与基础工作原理

当不存在外加电压时,由于pn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。
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的pn结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。
当外界有正向电压偏置时,外界电场和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。当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时,pn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,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。

二极管的四大特性

正向特性

当加在二极管两端的正向电压(P为正、N为负)很小时(锗管小于0.1伏,硅管小于0.5伏),管子不导通,处于“截止”状态,当正向电压超过一定数值后,管子才导通,电压再稍微增大,电流急剧暗加(见曲线I段)。不同材料的二极管,起始电压不同,硅管为0.5-.7伏左右,锗管为0.1-0.3左右。

反向特性

二极管两端加上反向电压时,反向电流很小,当反向电压逐渐增加时,反向电流基本保持不变,这时的电流称为反向饱和电流(见曲线II段)。不同材料的二极管,反向电流大小不同,硅管约为1微安到几十微安,锗管则可高达数百微安,另外,反向电流受温度变化的影响很大,锗管的稳定性比硅管差。

击穿特性

当反向电压增加到某一数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿(见曲线III)。这时的反向电压称为反向击穿电压,不同结构、工艺和材料制成的管子,其反向击穿电压值差异很大,可由1伏到几百伏,甚至高达数千伏。

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。

二极管的命名方法

国产半导体器件的命名方法

二极管的型号命名通常根据国家标准 GB_249 — 74 规定,由五部分组成。
第一部分:用数字表示器件电极的数目。
第二部分:用汉语拼音字母表示器件材料和极性。
第三部分:用汉语拼音字母表示器件的类型。
第四部分:用数字表示器件序号。
第五部分:用汉语拼音字母表示规格号。

日本半导体器件的命名方法

日本半导体器件命名型号由五部分组成。
第一部分:用数字表示半导体器件有效数目和类型。 1 表示二极管, 2 表示三极管。
第二部分:用 S 表示已在日本电子工业协会登记的半导体器件。
第三部分:用字母表示该器件使用材料、极性和类型。
第四部分:表示该器件在日本电子工业协会的登记号。
第五部分:表示同一型号的改进型产品。

美国半导体器件的命名方法

美国电子工业协会半导体分立器件命名型号由五部分组成。
第一部分为前缀。
第二部分、第三部分、第四部分为型号基本部分。
第五部分为后缀