二极管的原理


介绍在你掌握了电阻、电容和电感这类无缘元件之后是时候进阶入奇妙的半导体世界了。一个最被广泛应用的半导体元件就是二极管。

 

接下来的内容包括:

  • 什么是二极管?
  • 二极管的原理
  • 二极管的重要特性
  • 不同型号的二极管
  • 二极管的外形
  • 二极管的典型应用

建议阅读

本文的一些概念需要你预先具备一定的电子知识。所以你可以考虑阅读(或略读)以下几点:

  • 什么是电
  • 电压,电流,电阻和欧姆定律
  • 什么是电流
  • 串联和并联
  • 如何使用万用表

理想二极管

理想二极管的主要职责是用来控制电流的流向。电流只能以一个方向流经二极管,这个方向被称为正方向。 相反方向的电流则会被阻隔。 就像是电子的单向阀门。

如果二极管两端为反向电压,则不会产生电流, 此时二极管相当于开路。这种情况成为二极管截至或者反偏。

如果二极管两端为正向电压,则二极管会通路并产生电流。此时理想二极管上并不会产生压降。这时称二极管正偏或者打开。

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理想二极管的电流——电压特性曲线。负的电压对应着零电流,正电压对应着短路电流。

Ideal Diode Characteristics
Operation Mode On (Forward biased) Off (Reverse biased)
Current Through I>0 I=0
Voltage Across V=0 V<0
Diode looks like Short circuit Open circuit

电路符号

每个二极管有两端,这两端是明显不同的。注意不要混淆这两端。二极管的正极被称为阳极,负极称为阴极。电流可以从阳极端流向阴极,反向则不行。如果你忘记了试着记住记忆ACID:anode current in diode” (also anode cathode is diode)

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三角形的底边代表阳极。电流流向三角形/箭头指向的方向,但它不能反向流动。

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上面是一对二极管电流的例子。左边的二极管D1处于正向偏置,其内部有电流通过。可以将其看做短路。右边的二极管D2处于反向偏置,其内部没有电流通过。可以将其看做开路。

*注意星号!这并不完全正确!不幸的是,并不存在真正的理想二极管。但是不用担心。实际使用的二极管的很多特性都比较接近理想二极管。

实际的二极管特性

理想情况下,二极管将阻止任何反向电流,而对于反向电流则相当于短路。不幸的是,实际的二极管的特性往往没有这么理想。二极管中通过正向电流时,会消耗一定量的功率,而且也不会阻止所有的反向电流。现实世界的二极管更复杂并且也不存在两个二极管的使用特性完全相同的情况。

电流和电压的关系

二极管最重要的特性是它的电流-电压(I-V)的关系。这使得我们可以通过一个元件两端的电压值知道流经的电流的大小。例如,电阻有一个简单的、线性i-v关系(欧姆定律)。一个二极管的I-V曲线,完全是非线性的。它看起来像这样:

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一个二极管的电流电压关系。为了在坐标轴上发出更多的点,正负轴的量程并不相等

根据施加在它两端的电压,二极管将在工作在以下三个区域中的一个:
正向偏置:当二极管两端的电压为正时,二极管是“开”状态,而电流可以通过。电压应大于正向电压(VF)。
反向偏置的二极管:在电压低于VF但高于-VBR时二极管是“关”的状态,在这种模式下的电流绝大部分被阻塞,二极管是关闭的。一个非常小的被称为反向饱和电流能够通过反向通过二极管。
击穿:当施加在二极管上的电压是非常大的负值时,大量的电流将能够从阴极到阳极反向流动。

正向电压

为了使二极管正向偏置,并产生正方向的电流,应将其两端施加正向电压。而所需的正向电压的典型值被叫做VF。它也可以被称为临界点。
我们知道从I-V曲线,通过二极管的电流和电压是相关的。更大的电流意味着更大的电压,更小的电压意味着更小的电流。不过一旦一个正向电压大到一定程度之后即使电流再增加很多,仍然只意味着一个非常小的电压增加。如果一个二极管是完全导电的,它通常可以假定,它此时的电压就达到了这个程度。

 

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具有二极管档位的万用表可以用来测量二极管的正向压降。

二极管的Vf取决于它是由什么材料构成的。特别地,硅二极管的Vf大约是0.6-1V.一个锗二极管可能会更低,大约是0.3V.不同型号的二极管的正向压降也不同;发光二极管的正向压降会低得多而 肖特基二极管的正向压降也被设计为低于很多平常使用的二极管。

击穿电压

如果一个足够大的负电压被施加到二极管,它会使允许电流反向流动。这种大的负电压被称为击穿电压。一些二极管实际上是设计工作在击穿区域,但对于大多数的二极管来说,工作在大的负电压是不健康的。
普通二极管的击穿电压在-50V到-100V,或更小。

二极管数据手册

上述的所有特性都可以在任一个二极管的技术手册中找到。例如,二极管1N4148的数据手册列出它的最大正向压降为1V,击穿电压为100V.(这里还有很多其他信息):

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数据手册可能会给你一个很眼熟的电流电压图,来进一步详细说明二极管的性能。本图由二极管的数据放大曲线,提出了部分区域的I-V曲线。注意更大的电流对应着更大的电压:

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该图表指出了另一个重要的二极管特性–最大正向电流。就像任何元件一样,二极管在爆炸之前只会消耗大量的能量。所有二极管应列出最大电流,反向电压和功耗。如果一个二极管遇上超出它极限的电流或者电压,它会变热(或更糟的是,融化,冒烟,…)。
一些器件非常适合高电流–1A或更大。其它的小信号二极管如1N4148可能只适合在200mA。

这个1N4148仅仅是众多不同种类的二极管中的一个小小的例子。接下来,我们将探讨什么是惊人的各种二极管有什么目的,每一种类型的服务

二极管的分类

普通二极管

标准信号二极管是最基本的,普通的二极管的家庭成员。他们通常有一个中高的正向压降和低的最大额定电流。一个常见的例子是1N4148二极管。很通用的情况下,它有一个典型的0.72V正向电压降和最大300mA正向电流额定值。

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小信号二极管1N4148。注意二极管周围的黑圈,它标志着二极管的阴极。

整流器或功率二极管是一个具有更高的最大额定电流的标准二极管。这种更大的电流通常需要一个更大的正向电压。例如, 1N4001有一个1A整流器或功率二极管是一个具有更高的最大额定电流的标准二极管。这种更高的电流等级通常是在一个更大的正向电压的成本。例如, 1N4001,有一个1A的额定电流和一个1.1V正向电压。

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一个1N4001 PTH二极管。灰色的圆环表明该极是阴极。

当然,大多数二极管在表面贴装有注明种类。你会注意到,每一个二极管有一定的方式(无论多么小或很难看到)注明哪个引脚是阴极。

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发光二极管 (LEDs!)

二极管的家族最耀眼的成员一定是发光二极管(LED)。当一个正电压被施加时,这些二极管就会被点亮发光。

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几个LED二极管。从左到右:黄色3mm蓝色5mm绿色10mm,超亮红色5mm,RGB 5mm和一个蓝色的7段LED数码管。

跟普通二极管一样,LED只允许电流通过一个方向。他们也有一个正向电压压降帮助它们发光。一个LED的VF往往大于普通的二极管(1.2 ~ 3V),它取决于LED发出的光颜色。例如,一个超亮蓝色LED的额定正向电压在3.3V,而同等大小的超亮红色LED只有2.2V。

你会很明显地发现LED在照明中的应用。他们耀眼并且有趣!但更重要的是,他们的高效率被广泛应用在路灯,显示器,背光,和更多地方。有些发光二极管发出的光是肉眼看不到的,像红外线二极管,是大多数遥控器的中心。另一个常见的应用是光学隔离一个危险的高电压系统和低电压电路。光电隔离器集成有红外LED和光电传感器,当它检测到来自LED的光就会允许电流流动。下面是一个光电隔离器的示例电路。注意二极管的原理图符号与正常的二极管的不同,即多出一对箭头。

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肖特基二极管

另一个非常常见的二极管是肖特基二极管。肖特基二极管由半导体组成,与普通的二极管略有不同,使得它有更小的压降,通常在0.15V到0.45V之间。它们仍然会有一个非常大的击穿电压。

肖特基二极管是可以有效地避免电压的损失可以节约很少的一点电压。他们是独特的,足以得到他们自己的电路符号,阴极的末端加上一条曲线。

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稳压二极管

稳压二极管是二极管家族的例外。他们通常被用来工作在反向偏置状态。稳压二极管在设计时有一个非常精确的电压,称为齐纳击穿或齐纳电压。当足够的电流反向流动稳压二极管就会保持稳定的击穿电压。

利用他们的击穿特性,稳压二极管通常用于获得一个已知的参考电压(等于它的击穿电压)。它们可以被用来作为一个小负载的电压调节器,但他们并没有真正的流通一定量电流的调节电压的电路。

稳压二极管的电路符号足够特别,在阴极线波浪端有着波浪形曲线。符号甚至可以标注其稳压值。这里是一个由3.3V稳压二极管得到3.3V参考电压的电路:

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光电二极管

光电二极管是特制的二极管,它捕获的光子能量(见物理、量子)产生电流。与LED相反。

BPW34 Photodiode

一个bpw34光电二极管(硬币上的小东西)。它在阳光下可以产生µW级的功率!

太阳能电池是光电技术的主要功臣。但这些二极管也可以用来检测光,甚至进行光学通信。

二极管的应用

二极管是这样一个简单的组件,但却有着广泛的使用范围。在每一个电路中你都能发现一些类型的二极管。它们可以应用在任何一个从小信号数字逻辑到高电压功率转换电路。让我们来探讨一些这些应用。

整流管

整流器是一种将交流电(AC)转换成直流电(DC)的电路。这种转换是各种家用电子产品的关键。从你的房子的墙壁插座出来的是交流电,但大多数计算机和其他微电子都需要使用直流电。

交流电路中的电流是快速在正、负方向交替变换但直流电流信号只能保持一个方向。因此,从交流到直流,你只需要确保电流不能运行在负方向。这听起来像是一个二极管的工作!

一个半波整流器可以由一个单一的二极管实现。一个交流信号,例如一个正弦波,通过一个二极管时负信号就会被截掉。

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输入(红/左)和输出(蓝色/右)电压波形,经过半波整流电路(中间)。

全波整流桥采用四个二极管将那些负的驼峰在转化为正的驼峰。

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桥式整流电路(中间),和输出波形(蓝色/右)。

这些电路的一个重要组成部分是交流-直流电源,将墙上的电源插座上的120/240VAC信号转变为3.3V,5V,12V的直流信号等。如果你观察一个电路的内部,你很可能会看到二极管在那里进行整流。

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你能认出电路板上的四个二极管构成的一个桥整流器吗?

反向电流保护

你是否曾经把电池装反过?或者红色和黑色的电源线弄反了?如果是这样的话,你需要感谢那个保护你电路避免损坏的二极管。与电源正极侧串联的二极管被称为反向保护二极管。它保证了电流只能在正向流动,而电源只对你的电路施加一个正电压。

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这个二极管可以有效地防止因电源正负极短接带来的损坏。反向保护二极管的缺点就是它本身的正向压降造成的电压损失。这使得肖特基二极管成为反向保护二极管中优秀的选择。

逻辑门

忘了晶体管!简单的数字逻辑门,如和、或就可以由二极管构成。

例如,一个二极管的两个输入或栅极可以构造出两个具有共享的阴极节点的二极管。逻辑电路的输出也位于该节点上。无论是一个输入(或两者)是一个逻辑1(高/ 5V)输出变为逻辑1,当两个输入为逻辑0(低/ 0V),输出通过电阻被拉低。

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一个“和“门也以类似的方式构造。这两个二极管的阳极在电路的输出位置连接在一起。这两个输入必须都是逻辑1才迫使电流朝着输出引脚运行,并拉高。如果输入的是低电平,电流从5V电源通过二极管。

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逻辑门的输入可以通过添加一个二极管增加。

反激二极管和电压尖峰抑制

二极管是经常被用来避免潜在的意外大尖峰电压造成的损坏。瞬态电压抑制二极管(TVS)是专业的类似稳压二极管的一种,它有着低击穿电压(通常在20V)和非常大的额定功率(通常以千瓦范围)。当电压超过其击穿电压时,它们可以分流电流和吸收能量。

反激式二极管有着类似的抑制电压尖峰的作用,特别是那些由电感元件如电机引起的。当流经电感器的电流突然发生变化就会产生电压尖端,它可能是一个非常大的,负尖峰。反激二极管放置在感性负载,它将提供给负电压信号一个安全的路径,实际上使它循环反复通过电感和二极管直至最终消失。

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这只是这个惊人的小半导体组件的一个小小的应用。

(注:文章来源于Sparkfun社区)

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