2.半导体二极管

1.半导体二极管

  • 二极管的组成
  • 二极管和PN结伏安特性的区别
  • 二极管的伏安特性及电流方程
    • 为什么反向饱和电流越小，单向导电性能越强。
  • 二极管的等效电路
  • 二极管的主要参数
  • 稳压二极管（又称齐纳二极管或反向击穿二极管）
    • 稳压二极管与普通二极管的区别
  • 其他二极管
    • 整流二极管
    • 光敏二极管（又称光电二极管）
    • 发光二极管
    • 检波二极管
    • 变容二极管
    • 双向触发二极管
    • 开关二极管
    • 快恢复二极管
    • 肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管）
  • 肖特基二极管与普通二极管区别
  • 快恢复二极管和肖特基二极管的区别
  • 二极管符号

二极管的组成

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二极管和PN结伏安特性的区别

与PN结一样，二极管也具有单向导电性，但是由于二极管存在半导体体电阻（体字未重复）和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降，或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小雨PN结的电流。在大电流情况下，这种影响更为明显。另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电压时的反向电流增大。近似分析时，仍用PN结的电流公式来描述二极管伏安特性。

二极管的伏安特性及电流方程

二极管开启电压也叫死区电压。开启电压就是正向电流增大（一般规定为1mA）时的正向电压。这个电压的产生是由于PN结势垒存在一定高度的缘故。从PN结的形成原理可以看出，要想让PN结导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然，给它加一个反方向的更大的电场，即P区接外加电源的正极，N区结负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流。

实际上只要测量设备足够精密，PN结上刚刚加一点电压就有几个nA的电流，只是这个电流是指数函数，刚开始小到后面越来越大，直到二极管表现为近似电阻状态。
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反向饱和电流越小，说明单向导电性能越强，二极管管子质量越好。反向饱和电流是由少数载流子的运动形成的，少数载流子受温度影响非常大，因此锗管比硅管受温度影响更大。
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在室温附近，温度每增加1℃；正向压降减小2-2.5mV；温度每增加10℃，反向电流约增大一倍。

为什么反向饱和电流越小，单向导电性能越强。

二极管的反向电流小，说明反向电阻大，理想的二极管正向电阻为0，反向电阻无穷大，所以反向电流越小，二极管性能越好。

二极管的等效电路

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使用微变等效电路是在有直流和交流源同时作用的情况下。综合可知，当二极管加直流正向电压时，将有一直流电流，曲线上反映该电压和电流的点为Q点，称为静态工作点。若在Q点基础上外加微小的变化量，则可以用以Q点为切点的直线来近似微小变化的曲线，即将二极管等效为一个动态电阻rd。

二极管的主要参数

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最大整流电流If是指二极管长期允许时允许通过的最大正向平均电流。最高反向电压Ur是指二极管工作时允许外加的最大反向电压，通过为击穿电压Ubr的一半。反向电流Ir是指二极管未击穿时的反向电流，其值越小，二极管单向导电性能越好，Ir对温度非常敏感。超过最高工作频率，二极管将不能很好地体现单向导电性。

稳压二极管（又称齐纳二极管或反向击穿二极管）

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稳压二极管又称齐纳二极管或反向击穿二极管，是一种用于稳定电压并且工作在反向击穿状态下的二极管。同时是由硅材料制成的面接触型晶体二极管。它的符号表示与普通二极管不同，见下图所示。如今随着周边电路的精密化、应用微细化，被要求使用更高性能的保护元件 — TVS。
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稳压二极管与普通二极管的区别

1、用途不一样
先拿稳压二极管来说吧，这种二极管在电路中主要的“任务”就是对自己所“负责”的范围把电压稳定在一个恒定的值，比如以1N4735 6V2其稳压值就恒定在6.2V。而普通二极管的作用主要用在整流电路、限幅电路电路以及隔离电路中都能用到普通二极管。

2、工作状态不一样
稳压管一定要工作在反向击穿这个工作状态，并且在反向击穿时稳压二极管不会造成永久性“失效”；而普通二极管必须工作在正向导通的工作状态，它不能工作在反向状态，若所加的反向电压超过其反向击穿电压值时会对普通二极管造成不可逆的破坏作用，一但普通二极管被反向击穿，就宣告了它的工作“使命”结束就要更换新的了。

3、外观标识不一样
稳压二极管与普通二极管从外观看是不一样的。下面我们以进口的二极管为例，普通二极管在表面标识IN4001至IN4007，并且有正负极标识。稳压管一般会标出稳压值比如1N4728-3V3的稳压管就会标出“3V3”它是代表稳压值是3.3V的稳压值。稳压管有很多种稳压值的类型，一般从3.0V至51V不等可以根据不同的稳压电路场合选用。

4、内部结构不一样
稳压管与普通二极管相比从内部来说在制造上所采用的掺杂物质是不一样的，同时在结面积上也是不一样的，比如稳压管内部PN结面积多以点接触构成而普通二极管的PN结的结面积多以面接触。

其他二极管

整流二极管

整流二极管 (Rectifier Diode) 顾名思义，是指对一定频率的交流电进行整流的二极管。整流的主要目的是将交流转换为直流，其具有高电压、高电流特性。另外，根据使用频率和使用条件不同，转换效率有所不同，提供低VF（正向电压）、高速开关型、低噪音等产品。
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光敏二极管（又称光电二极管）

原理是受到光照射时，反向阻抗会随之变化，利用这一特性，光敏二极管常常作为光电传感器件使用。
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发光二极管

指工作时发出亮光的二极管，也就是日常生活中的LED。
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检波二极管

检波二极管是利用二极管的单向导电性，再与滤波电容配合，可以把叠加在高频载波上的低频包络信号检测出来的元器件，注意检波二极管具有较高的检波效率和良好的频率特性，常用在收音机的检波电路中。
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变容二极管

变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性而制成的非线性半导体元件，在电路中起电容器的作用，广泛用在参量放大器、电子调谐及倍频器等高频和微波电路中。该二极管两极之间的电容量为3-50pF，也就是一个电压控制的微调电容。
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双向触发二极管

双向触发二极管亦称二端交流器件(DIAC)，与双向晶闸管同时问世，由于它结构简单、价格低廉，所以常用来触发双向晶闸管，还可构成过压保护等电路。双向触发二极管的构造、符号及等效电路。
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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。
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快恢复二极管

快恢复二极管（简称FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。 快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高。
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肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管）

肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，完整的叫法是：肖特基整流二极管（Schottky Rectifier Diode 缩写成SR），也有人叫做：肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode 缩写成SBD）的简称。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。
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一般的二极管是利用PN接合来发挥二极管特性，而肖特基势垒二极管是利用了金属和半导体接合产生的肖特基势垒。与一般的PN结二极管相比，具有正向电压 (VF) 低，开关速度快的特点。但漏电流 (IR) 大，有如果热设计错误则引起热失控的缺点。
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肖特基二极管与普通二极管区别

一、正向压降数值不同：
直接用数字万用表测（小电流）普通二极管在0.5V以上，肖特基二极管在0.3V以下，大电流时普通二极管在0.8V左右，肖特基二极管在0.5V以下；SR350 就是表示3A50V。另肖特基二极管耐压一般在100V以下，没有150V以上的。

二、特点不同：
肖特基（Schottky）二极管的最大特点是正向压降VF比较小。在同样电流的情况下，它的正向压降要小许多。另外它的恢复时间短。它也有一些缺点：耐压比较低，漏电流稍大些。

三、耐压不同：
普通硅二极管的耐压可以做得较高，但是它的恢复速度低，只能用在低频的整流上，如果是高频的就会因为无法快速恢复而发生反向漏电，最后导致管子严重发热烧毁。肖特基二极管的耐压能常较低，但是它的恢复速度快，可以用在高频场合，故开关电源采用此种二极管作为整流输出用，尽管如此，开关电源上的整流管温度还是很高的。

快恢复二极管和肖特基二极管的区别

一、结构原理不同。肖特基二极管是贵重金属和 n 型半导体结合成，而快恢复二极管是普通 PN 结内加了个薄基区 I，为 PIN 结。

二、反向恢复时间不同。快恢复二极管是指反向恢复时间很短的二极管（5us 以下），工艺上多采用掺金措施，结构上有采用 PN 结型结构，有的采用改进的 PIN 结构。其正向压降高于普通二极管（1-2V），反向耐压多在 1200V 以下。从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在 100 纳秒以下。而肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，称肖特基二极管（Schottky Barrier Diode），具有正向压降低（0.4–0.5V）、反向恢复时间很短（10-40 纳秒），而且反向漏电流较大，耐压低，一般低于 150V，多用于低电压场合。

三、快恢复二极管反向峰值可以达到几百到几千伏；而肖特基二极管反向击穿电压大多不高于 60V，最高仅约 100V，限制其使用。因此像在开关电源变压器次级用 100V 以上的高频整流二极管等只有使用快速恢复（UFRD）。

四、快恢复二极管有 0.8-1.1V 的正向导通压降，而肖特基正向导通压降仅 0.4V 左右。

总的来说，由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微，所以其频率响仅为 RC 时间常数限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达 100GHz。并且，MIS（金属－绝缘体－半导体）肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。快恢复二极管可以在导通和截止之间迅速转换，提高了器件的使用频率并改善了波形。快恢复二极管在制造工艺上采用掺金，单纯的扩散等工艺，可获得较高的开关速度，同时也能得到较高的耐压。目前快恢复二极管主要应用在逆变电源中做整流元件。

二极管符号

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