電子元件家族當(dāng)中，有一種只允許電流由單一方向流過，具有兩個(gè)電極的元件，稱為二極管，英文是“Diode”，是現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的基石。

早期的二極管

早期的二極管包含“貓須晶體”(Cat's Whisker Crystals)和真空管(ThermionicValves)。

1904 年，英國物理學(xué)家弗萊明根據(jù)“愛迪生效應(yīng)”發(fā)明了世界上第一只電子二極管——真空電子二極管。它是依靠陰極熱發(fā)射電子到陽極實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。

電源正負(fù)極接反則不能導(dǎo)電，它是一種能夠單向傳導(dǎo)電流的電子器件。早期電子二極管存在體積大、需預(yù)熱、功耗大、易破碎等問題，促使了晶體二極管的發(fā)明。

晶體二極管

又稱半導(dǎo)體二極管。1947 年，美國人發(fā)明。在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個(gè) PN 結(jié)和兩個(gè)引出端。

這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的傳導(dǎo)性。現(xiàn)今最普遍的二極管大多是使用半導(dǎo)體材料如硅或鍺。

晶體二極管結(jié)構(gòu)

晶體二極管的核心是 PN 結(jié)，關(guān)于 PN 結(jié)首先要了解三個(gè)概念。

本征半導(dǎo)體：指不含任何摻雜元素的半導(dǎo)體，如純硅晶片或純鍺晶片。

P 型半導(dǎo)體：摻雜了產(chǎn)生空穴的含較低電價(jià)雜質(zhì)的半導(dǎo)體，如在本征半導(dǎo)體中 Si(4+)中摻入 Al(3+)的半導(dǎo)體。

N 型半導(dǎo)體：摻雜了產(chǎn)生空穴的含較低電價(jià)雜質(zhì)的半導(dǎo)體，如在本征半導(dǎo)體中硅 Si(4+)中摻入磷 P(5+)的半導(dǎo)體。

由 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體相接觸時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)特的 PN 結(jié)界面，在界面的兩側(cè)形成空間電荷層，構(gòu)成自建電場(chǎng)。

當(dāng)外加電壓等于零時(shí)，由于 PN 結(jié)兩邊載流子的濃度差引起擴(kuò)散電流和由自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的 PN 結(jié)。

以 PN 結(jié)為核心結(jié)構(gòu)，加上引線或引腳形成單向?qū)щ姷亩O管。

當(dāng)外加電壓方向由 P 極指向 N 極時(shí)，導(dǎo)通。

晶體二極管分類

晶體二極管可按材料不同和 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)不同，進(jìn)行分類。

點(diǎn)接觸型二極管

點(diǎn)接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過電流法而形成的。

其 PN 結(jié)的靜電容量小，適用于高頻電路。因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單，所以價(jià)格便宜。對(duì)于小信號(hào)的檢波、整流、調(diào)制、混頻和限幅等一般用途而言，它是應(yīng)用范圍較廣的類型。與面結(jié)型相比較，點(diǎn)接觸型二極管正向特性和反向特性都差，因此不能使用于大電流和整流。

制作工藝：將細(xì)鋁絲的一端接在陽極引線上，另一端壓在摻雜過的 N 型半導(dǎo)體上。加上電壓后，細(xì)鋁絲在接觸點(diǎn)處融化并滲入融化部分的中。這樣，接觸點(diǎn)實(shí)際上是 P 型半導(dǎo)體，并附著在 N 型半導(dǎo)體上形成 PN 結(jié)。

面接觸型二極管

面接觸型二極管的“PN 結(jié)”面積較大，允許通過較大的電流(幾安到幾十安)，主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。面接觸型晶體二極管比較適用于大電流開關(guān)。

平面型二極管

平面型二極管是一種特制的硅二極管，得名于半導(dǎo)體表面被制作得平整。最初，對(duì)于被使用的半導(dǎo)體材料是采用外延法形成的，故又把平面型稱為外延平面型。

在半導(dǎo)體單晶片(主要地是 N 型硅單晶片)上，擴(kuò)散 P 型雜質(zhì)，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在 N 型硅單晶片上僅選擇性地?cái)U(kuò)散一部分而形成的 PN 結(jié)。因 PN 結(jié)合的表面被氧化膜覆蓋，穩(wěn)定性好和壽命長(zhǎng)。

它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關(guān)、脈沖及高頻電路中。

晶體二極管主要特性

二極管的伏安特性曲線如下：

外加電壓 Uw 方向?yàn)?P→N 時(shí)，Uw 大于起動(dòng)電壓，二極管導(dǎo)通；

外加電壓 Uw 方向?yàn)?N→P 時(shí)，Uw 大于反向擊穿電壓，二極管擊穿。

晶體二極管性能參數(shù)

最大整流電流 Idm：二極管連續(xù)工作允許通過的最大正向電流；電流過大，二極管會(huì)因過熱燒毀；大電流整流可加裝散熱片。

最大反向電壓 Urm：Urm 一般小于反向擊穿電壓，選規(guī)格以 Urm 為準(zhǔn)，并留有余量；過電壓易損壞二極管。

反向飽和電流 Is：二極管外加反向電壓時(shí)的電流值；Is 反向擊穿前很小，變化也很小；Is 會(huì)隨溫度的升高而升高，一般地，常溫下硅管 Is<1μA，鍺管 Is=30~300μA。

最高工作頻率 Fm：指二極管能保持良好工作特性的最高工作頻率。

不同用途的二極管差異

整流二極管

大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流(Rectifying)”功能，
將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔堋?/p>

面接觸結(jié)構(gòu)，多采用硅材料，能承受較大的正向電流和較高的反向電壓。性能較穩(wěn)定，但因結(jié)電容較大，不宜工作在高頻電路中，所以不能作為檢波管使用。有金屬和塑料封裝。

檢波二極管

檢波二極管是用于把疊加在高頻載波上的低頻信號(hào)檢出來的器件，它具有較高的檢波效率和良好的頻率特性。

鍺材料點(diǎn)接觸型、工作頻率可達(dá) 400MHz，正向壓降小，結(jié)電容小，檢波效率高，頻率特性好，為 2AP 型。

類似點(diǎn)觸型那樣檢波用的二極管，除用于檢波外，還能夠用于限幅、削波、調(diào)制、混頻、開關(guān)等電路。也有為調(diào)頻檢波專用的特性一致性好的兩只二極管組合件。

多采用玻璃封裝或陶瓷外殼封裝，以獲得良好的高頻特性。

開關(guān)二極管

關(guān)二極管是半導(dǎo)體二極管的一種，是為在電路上進(jìn)行“開”、“關(guān)”而特殊設(shè)計(jì)制造的一類二極管。它由導(dǎo)通變?yōu)榻刂够蛴山刂棺優(yōu)閷?dǎo)通所需的時(shí)間比一般二極管短。

開關(guān)二極管的勢(shì)壘電容一般極小，這就相當(dāng)于堵住了勢(shì)壘電容這條路，達(dá)到了在高頻條件下還可以保持好的單向?qū)щ娦缘男Ч?/p>

開關(guān)二極管從截止(高阻狀態(tài))到導(dǎo)通(低阻狀態(tài))的時(shí)間叫開通時(shí)間；從導(dǎo)通到截止的時(shí)間叫反向恢復(fù)時(shí)間；兩個(gè)時(shí)間之和稱為開關(guān)時(shí)間。一般反向恢復(fù)時(shí)間大于開通時(shí)間，故在開關(guān)二極管的使用參數(shù)上只給出反向恢復(fù)時(shí)間。開關(guān)二極管的開關(guān)速度是相當(dāng)快的，像硅開關(guān)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間只有幾納秒，即使是鍺開關(guān)二極管，也不過幾百納秒。

開關(guān)二極管具有開關(guān)速度快、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的開關(guān)電路、檢波電路、高頻和脈沖整流電路及自動(dòng)控制電路中。

穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管，是指利用 PN 結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。

穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線的正向特性和普通二極管差不多，反向特性是在反向電壓低于反向擊穿電壓時(shí)，反向電阻很大，反向漏電流極小。但是，當(dāng)反向電壓臨近反向電壓的臨界值時(shí)，反向電流驟然增大，稱為擊穿。

變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管(Varactor Diodes)又稱"可變電抗二極管"。材料多為硅或砷化鎵單晶，并采用外延工藝技術(shù)。

它一種利用 PN 結(jié)電容(勢(shì)壘電容)與其反向偏置電壓 Vr 的依賴關(guān)系及原理制成的二極管。

變?nèi)荻O管的作用是利用 PN 結(jié)之間電容可變的原理制成的半導(dǎo)體器件，在高頻調(diào)諧、通信等電路中作可變電容器使用。

變?nèi)荻O管屬于反偏壓二極管，改變其 PN 結(jié)上的反向偏壓，即可改變 PN 結(jié)電容量。反向偏壓越高，結(jié)電容則越少，反向偏壓與結(jié)電容之間的關(guān)系是非線性的。

變?nèi)荻O管的電容值與反向偏壓值的關(guān)系：
反向偏壓增加，造成電容減少；
反向偏壓減少，造成電容增加；
反偏電壓愈大，則結(jié)電容愈小。

發(fā)光二極管

發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為 LED。由含鎵(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。

當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，氮化鎵二極管發(fā)藍(lán)光。因化學(xué)性質(zhì)又分有機(jī)發(fā)光二極管 OLED 和無機(jī)發(fā)光二極管 LED。

阻尼二極管

阻尼二極管類似于高頻、高壓整流二極管，其特點(diǎn)是具有較低有電壓降和較高的工作頻率，且能承受較高的反向擊穿電壓和較大的峰值電流。

阻尼二極管主要用在電視機(jī)中，作為阻尼二極管、升壓整流二極管或大電流開關(guān)二極管使用。

二極管芯組

整流橋堆(半橋、全橋)

高壓硅堆(多個(gè)硅二極管串聯(lián))

審核編輯黃昊宇