哪個器件是半導體世界中非常簡單的？那一定是二極管，因為它只由一個PN結構成，而其他半導體器件都有無數個PN結！

但千萬別小看這個"簡單"的器件——結構簡單，絕不意味著用法簡單！在本次貿澤科普實驗室中，我們將通過一張經典電路圖，搞清楚二極管的那些用法——

01二極管原理及特性

在探討二極管的各種應用之前，先回顧一下二極管的基本工作原理和特性。

將一個PN結加上相應的兩根外引線，然后用塑料、玻璃或鐵皮等材料做外殼封裝，就成為了簡單的二極管。根據所用材料不同，二極管可分為鍺管和硅管等。

圖1

關于PN結的介紹，在之前貿澤科普實驗室中，有詳細的介紹，可以移步這里：5分鐘動畫詳解：貿澤科普實驗室 | 據說這三個器件關系不一般

PN結的結構讓二極管具有一個非常獨特的特性：只允許電流單向通過，也就是單向導電性。

圖2

1）正向偏置

給P區接電源正極、N區接負極時，當加的這個電壓小于某一數值(稱為死區電壓)時，不足以克服PN結內電場對多數載流子運動的阻擋作用，這時二極管正向電流很小。死區電壓的大小與二極管的材料有關，并受環境溫度影響。通常，硅二極管的死區電壓約為0.5V，鍺二極管的死區電壓約為0.1V。

當電壓超過死區電壓值時，外電場抵消了內電場，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，二極管正向電阻變得很小。當二極管完全導通后，正向壓降基本維持不變，一般硅管為0.7V，鍺管為0.3V。

2）反向偏置

若電源正極接N區，負極接P區，外電場與內建電場方向一致，使耗盡區變寬，電流幾乎為零。

3）擊穿

當反向電壓增加到某一數值后，反向電壓過大，耗盡區內電場可能會強到讓價帶電子被“直接拉入”導帶，導致擊穿電流突增（齊納擊穿、雪崩擊穿）。

下圖為二極管伏安特性曲線，展示二極管在不同偏置狀態下的導通/截止特性：

圖3：二極管伏安特性曲線

02二極管常用四大用途

二極管的單向導電特性，讓它在電路中發揮著重要的作用，下面四種就是很常用的：

1）防反接：

在電路回路中，串聯一個二極管，是利用二極管的單向導電的特性，可以實現非常簡單的低成本防反接功能電路，不過這個方案一般在小電流的場合中使用。

圖4：二極管電源防反接電路

2）整流：

整流同樣是利用二極管的單向導電性，將交流電AC轉換為脈動直流電DC。核心原理是：正向偏置時導通，電流可通過；反向偏置時截止，電流被阻斷。用于整流的二極管一般就成為整流二極管。

1個二極管可以實現半波整流，正半周期通過，截去負半周期：

圖5

而4個二極管組成橋式整流，就可以實現全波整流了：

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3）穩壓

與整流功能相反，穩壓利用的是二極管的反向擊穿特性，反接在電路中使用，用于此功能的二極管稱為穩壓二極管。

圖7

當穩壓二極管兩端加正向電壓大于正向導通電壓時，穩壓二極管處于正向導通狀態，有較小的正向電阻，正向特性和普通二極管基本相同，這時穩壓二極管一般不用于穩壓。

當穩壓二極管兩端施加反向電壓時，在反向電壓低于擊穿電壓之前，只有極小的反向漏電流通過二極管，這時二極管處于反向截止狀態，相當于一個阻值很大的電阻，幾乎沒有電流通過。

當反向電壓增加到穩壓二極管的擊穿電壓時，二極管發生反向擊穿。這時，盡管電流在很大范圍內變化，但穩壓二極管兩端的電壓卻基本保持穩定，實現穩壓的效果。

4）瞬態過壓保護

二極管工作在反向擊穿區，還可以起到瞬態過電壓保護的作用，這類二極管叫做TVS管，與要保護的電路并聯使用。

在正常電壓情況下，TVS二極管具有高阻抗狀態，存在極低的漏電流，相當于開路，不會影響電路的正常工作。一旦出現瞬態過電壓或電壓突升，超過TVS閾值電壓時，TVS二極管會迅速導通，將過高的電壓限制到安全范圍，從而保護后級電路不受損害。

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除了上面四種功能的二極管之外，根據功能來說的話，二極管種類還有很多，比如：檢波二極管，對輸入信號幅值的極大值進行檢測，可以從高頻調制信號中提取低頻信息；續流二極管，通常和儲能元件一起使用，防止電路中電壓電流的突變，為反向電動勢提供耗電通路，起到平滑電流的作用；LED二極管，利用單向導電性，使用不同的半導體材料，發出不同顏色的光。

03TVS管vs穩壓二極管，能否替換？

雖然都是利用反向擊穿工作的，但是TVS管屬于雪崩擊穿，穩壓二極管屬于齊納擊穿。從功率上區別，穩壓二極管功率是按照穩態功率計算的，通常在5瓦以下，而TVS管的功率是按照脈沖峰值功率計算的，通常在幾百瓦到上千瓦。然后就是響應時間的不同，TVS管的響應時間一般在ps級別，而穩壓二極管在ns級別。

TVS管和穩壓二極管都是工作在擊穿區，TVS能否作為穩壓管使用呢？

為了驗證這個問題，我們設計了一塊測試板，使用到的穩壓管和TVS分別是SMA2Z5.1A和SMBJ5.0A。

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用實驗驗證以下三種情況：

1）TVS正常測試

當輸入電壓超過TVS管擊穿電壓，TVS管擊穿，將電壓鉗位到擊穿電壓，實現過壓保護。

圖10

2）TVS管穩壓測試

當輸入電壓超過TVS管擊穿電壓，TVS管擊穿，由于限流電阻，將電壓穩定到TVS管的擊穿電壓。這時，TVS管看似可以穩壓，但是穩壓精度無法保證。

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3）穩壓二極管穩壓測試

當輸入電壓超過穩壓二極管的工作電壓，穩壓二極管開始工作，此時穩壓二極管兩端的電壓等于穩壓二極管的工作電壓。

圖12

從實驗結果看，雖然它在一定范圍能鉗位電壓，但是它的穩壓值是不準的，所以TVS管不能替換穩壓二極管。在電源電路中，TVS管負責防止過電壓，穩壓管則穩定輸出電壓，它們更像一對默契搭檔。

好了，關于二極管的類型，用法以及TVS和穩壓二極管的區別就講這么多了，歡迎大家在評論區繼續交流。