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二極管

趙弈欽

二極管是用半導體材料(等)製成的一種電子器件 。它具有單向導電性能, 即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時,二極管導通。 當給陽極和陰極加上反向電壓時,二極管截止。 因此,二極管的導通和截止,則相當於開關的接通與斷開 。[1]

二極管是最早誕生的半導體器件之一,其應用非常廣泛。特別是在各種電子電路中,利用二極管和電阻電容電感等元器件進行合理的連接,構成不同功能的電路,可以實現對交流電整流、對調製信號檢波、限幅和鉗位以及對電源電壓的穩壓等多種功能。無論是在常見的收音機電路還是在其他的家用電器產品或工業控制電路中,都可以找到二極管的蹤跡 。

基本信息

中文名  : 二極管

外文名 : Diode

特    性 : 單向導電性

應    用 : 家用電器、工業控制電路等

類    別  : 半導體器件

組成材料 : 硅、硒、鍺等

結構組成

二極管就是由一個PN結加上相應的電極引線及管殼封裝而成的。 採用不同的摻雜工藝,通過擴散作用,將P型半導體與N型半導體製作在同一塊半導體(通常是硅或鍺)基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結。 由P區引出的電極稱為陽極,N區引出的電極稱為陰極。因為PN結的單向導電性,二極管導通時電流方向是由陽極通過管子內部流向陰極。 

二極管有兩個電極,由P區引出的電極是正極,又叫陽極;由N區引出的電極是負極,又叫陰極。三角箭頭方向表示正向電流的方向,二極管的文字符號用VD表示。 

工作原理

二極管的主要原理就是利用PN結的單向導電性,在PN結上加上引線和封裝就成了一個二極管二極管實物。晶體二極管為一個由P型半導體和N型半導體形成的PN結,在其界面處兩側形成空間電荷層,並建有自建電場。當不存在外加電壓時,由於PN結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處於電平衡狀態。 

當外界有正向電壓偏置時,外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時,外界電場和自建電場進一步加強,形成在一定反向電壓範圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流。 當外加的反向電壓高到一定程度時,PN結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程,產生大量電子空穴對,產生了數值很大的反向擊穿電流,稱為二極管的擊穿現象。PN結的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。 

PN結形成原理

P型半導體是在本徵半導體(一種完全純淨的、結構完整的半導體晶體)摻入少量三價元素雜質,如等。P型和N型半導體因硼原子只有三個價電子,它與周圍的硅原子形成共價鍵,因缺少一個電子,在晶體中便產生一個空位,當相鄰共價鍵上的電子獲得能量時就有可能填補這個空位,使硼原子成了不能移動的負離子,而原來的原子的共價鍵則因缺少一個電子,形成了空穴,但整個半導體仍呈中性。這種P型半導體中以空穴導電為主,空穴為多數載流子,自由電子為少數載流子。 

N型半導體形成的原理和P型原理相似。在本徵半導體中摻入五價原子,如等。摻入後,它與硅原子形成共價鍵,產生了自由電子。在N型半導體中,電子為多數載流子,空穴為少數載流子。  因此,在本徵半導體的兩個不同區域摻入三價和PN結五價雜質元素,便形成了P型區和N型區,根據N型半導體和P型半導體的特性,可知在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差異,電子和空穴都要從濃度高的區域向濃度低的區域擴散,它們的擴散使原來交界處的電中性被破壞。 

PN結單向導電性在PN結外加正向電壓V,在這個外加電場的作用下,PN結的平衡狀態被打破,P區中的空穴和N區的電子都要PN結移動,空穴和PN結P區的負離子中和,電子和PN結N區的正離子中和,這樣就使PN結變窄。隨着外加電場的增加,擴散運動進一步增強,漂移運動減弱。當外加電壓超過門檻電壓,PN結相當於一個阻值很小的電阻,也就是PN結導通。 [2]


主要分類

1、點接觸型二極管

點接觸型二極管的PN結接觸面積小,不能通過較大的正向電流和承受較高的反向電壓,但它的高頻性能好,適宜在高頻檢波電路和開關電路中使用 。[3]

2、面接觸型二極管

面接觸型二極管的PN結接觸面積大,可以通過較大的電流,也能承受較高的反向電壓,適宜在整流電路中使用 。

3、平面型二極管

平面型二極管在脈衝數字電路中作開關管使用時PN結面積小,用於大功率整流時PN結面積較大 。

按用途分類

1、整流二極管

整流二極管主要用於整流電路,即把交流電變換成脈動的直流電。整流二極管都是面結型,因此結電容較大,使其工作頻率較低。一般為 3kHZ 以下。[4]

2、檢波二極管

就原理而言,從輸入信號中取出調製信號是檢波,以整流電流的大小(100mA)作為界線通常把輸出電流小於100mA的叫檢波。材料點接觸型、工作頻率可達400MHz,正向壓降小,結電容小,檢波效率高,頻率特性好,為2AP型。類似點觸型那樣檢波用的二極管,除用於一般二極管檢波外,還能夠用於限幅、削波、調製、混頻、開關等電路。也有為調頻檢波專用的特性一致性好的兩隻二極管組合件。

3、穩壓二極管

這種管子是利用二極管的反向擊穿特性製成的。在電路中其兩端的電壓保持基本不變,起到穩定電壓的作用。常用的穩壓管有 2CW55 、2CW56等。

4、阻尼二極管

阻尼二極管多用在高頻電壓電路中,能承受較高的反向擊穿電壓和較大的峰值電流。一般用在電視機電路中。常用的阻尼二極管有 2CN1 、2CN2 、BS BS-4等。

5、光電二極管(光敏二極管)

光電二極管跟普通二極管一樣,也是由一個PN 結構成。但是它的 PN 結面積較大,是專為接收入射光而設計的。它是利用 PN 結在施加反向電壓時,在光線照射下反向電阻由大變小的原理來工作的。就是說,當沒有光照射時反向電流很小,而反向電阻很大。當有光照射時,反向電阻減小,反向電流增大。

6、發光二極管

發光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化鎵)、 GaP磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體製成的,其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性,即正嚮導通,反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發光特性。在正向電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)複合而發光。

led二極管簡稱為LED。由含(Ga)、(As)、(P)、(N)等的化合物製成。當電子與空穴複合時能輻射出可見光,因而可以用來製成發光二極管。在電路及儀器中作為指示燈,或者組成文字或數字顯示。砷化鎵二極管發紅光,磷化鎵二極管發綠光,碳化硅二極管發黃光,氮化鎵二極管發藍光。因化學性質又分有機發光二極管OLED和無機發光二極管LED。[5]

7、開關二極管

開關二極管是利用二極管的單向導電性,在半導體PN結加上正向偏壓後,在導通狀態下,電阻很小(幾十到幾百歐);加上反向偏壓後截止,其電阻很大(硅管在100M歐以上)。利用開關二極管的這一特性,在電路中起到控制電流通過或關斷的作用,成為一個理想的電子開關。開關二極管的正向電阻很小,反向電阻很大,開關速度很快。[6]

特性及參數

伏安特性

二極管的性能可用其伏安特性來描述 —— 在二極管兩端加電壓U,然後測出流過二極管的電流I,電壓與電流之間的關係i=f(u)即是二極管的伏安特性曲線。[7] 1、正向特性

外加正向電壓時,在正向特性的起始部分,正向電壓很小,不足以克服PN結電場的阻擋作用,正向電流幾乎為零,這一段稱為死區。這個不能使二極管導通的正向電壓稱為死區電壓。 當正向電壓大於死區電壓以後,PN結內電場被克服,二極管正嚮導通,電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流範圍內,導通時二極管的端電壓幾乎維持不變,這個電壓稱為二極管的正向電壓。

當二極管兩端的正向電壓超過一定數值 ,內電場很快被削弱,特性電流迅速增長,二極管正嚮導通。 叫做門坎電壓或閾值電壓,管約為0.5V,管約為0.1V。硅二極管的正嚮導通壓降約為0.6~0.8V,鍺二極管的正嚮導通壓降約為0.2~0.3V。 2、反向特性

外加反向電壓不超過一定範圍時,通過二極管的電流是少數載流子漂移運動所形成反向電流。由於反向電流很小,二極管處於截止狀態。這個反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流,二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。

3、擊穿特性

外加反向電壓超過某一數值時,反向電流會突然增大,這種現象稱為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱為二極管反向擊穿電壓。電擊穿時二極管失去單向導電性。如果二極管沒有因電擊穿而引起過熱,則單向導電性不一定會被永久破壞,在撤除外加電壓後,其性能仍可恢復,否則二極管就損壞了。因而使用時應避免二極管外加的反向電壓過高。

主要參數

1、額定正向工作電流

額定正向工作電流指二極管長期連續工作時允許通過的最大正向電流值。

2、最大浪涌電流

最大浪涌電流,是允許流過的過量正向電流,它不是正常電流,而是瞬間電流。其值通常是額定正向工作電流的20倍左右。

3、最高反向工作電壓

加在二極管兩端的反向工作電壓高到一定值時,管子將會擊穿,失去單向導電能力。為了保證使用安全,規定了最高反向工作電值。例如,lN4001二極管反向耐壓為50V,lN4007的反向耐壓為1000V。

4、反向電流

反向電流是指二極管在規定的溫度和最高反向電壓作用下,流過二極管的反向電流。反向電流越小,管子的單方向導電性能越好。

反向電流與溫度密切相關,大約溫度每升高10℃,反向電流增大一倍。

硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩定性。

5、反向恢復時間

從正向電壓變成反向電壓時,電流一般不能瞬時截止,要延遲一點點時間,這個時間就是反向恢復時間。它直接影響二極管的開關速度。

6、最大功率

最大功率就是加在二極管兩端的電壓乘以流過的電流。這個極限參數對穩壓二極管等顯得特別。

7、頻率特性

由於結電容的存在,當頻率高到某一程度時,容抗小到使 PN 結短路。導致二極管失去單向導電性,不能工作,PN 結面積越大,結電容也越大,越不能在高頻情況下工作。[8]

檢測方法

小功率晶體二極管

1、判別正、負電極[9]

(1)觀察外殼上的符號標記。通常在二極管的外殼上標有二極管的符號,帶有三角形箭頭的一端為正極,另一端是負極。

(2)觀察外殼上的色點。在點接觸二極管的外殼上,通常標有極性色點(白色或紅色)。一般標有色點的一端即為正極。還有的二極管上標有色環,帶色環的一端則為負極。

(3)以阻值較小的一次測量為準,黑表筆所接的一端為正極,紅表筆所接的一端則為負極。(d)觀察二極管外殼,帶有銀色帶一端為負極。

2、檢測最高反向擊穿電壓。對於交流電來說,因為不斷變化,因此最高反向工作電壓也就是二極管承受的交流峰值電壓。[10]

雙向觸發二極管

萬用表置於相應的直流電壓擋,測試電壓由兆歐表提供。

測試時,搖動兆歐表,萬同樣的方法測出VBR值。最後將VBO與VBR進行比較,兩者的絕對值之差越小,說明被測雙向觸發二極管的對稱性越好。

瞬態電壓抑制二極管

萬用表測量管子的好壞對於單要極型的TVS,按照測量普通二極管的方法,可測出其正、反向電阻,一般正向電阻為4kΩ左右,反向電阻為無窮大。

對於雙向極型的瞬態電壓抑制二極管,任意調換紅、黑表筆測量其兩引腳間的電阻值均應為無窮大,否則,說明管子性能不良或已經損壞。

高頻變阻二極管

識別正、負極高頻變阻二極管與普通二極管在外觀上的區別是其色標顏色不同,普通二極管的色標顏色一般為黑色,而高頻變阻二極管的色標顏色則為淺色。其極性規律與普通二極管相似,即帶綠色環的一端為負極,不帶綠色環一端為正極。

變容二極管

將萬用表紅、黑表筆怎樣對調測量,變容二極管的兩引腳間的電阻值均應為無窮大。如果在測量中,發現萬用表指針向右有輕微擺動或阻值為零,說明被測變容二極管有漏電故障或已經擊穿壞。

單色發光二極管

萬用表外部附接一節能1.5V乾電池,將萬用表置R×10或R×100擋。這種接法就相當於給予萬用表串接上了1.5V的電壓,使檢測電壓增加至3V(發光二極管的開啟電壓為2V)。檢測時,用萬用表兩表筆輪換接觸發光二極管的兩管腳。若管子性能良好,必定有一次能正常發光,此時,黑表筆所接的為正極紅表筆所接的為負極。

紅外發光二極管

1、判別紅外發光二極管的正、負電極。紅外發光二極管有兩個引腳,通常長引腳為正極,短引腳為負極。因紅外發光二極管呈透明狀,所以管殼內的電極清晰可見,內部電極較寬較大的一個為負極,而較窄且小的一個為正極。

2、先測量紅個發光二極管的正、反向電阻,通常正向電阻應在30k左右,反向電阻要在500k以上,這樣的管子才可正常使用。

紅外接收二極管

1、識別管腳極性

(1)從外觀上識別。常見的紅外接收二極管外觀顏色呈黑色。識別引腳時,面對受光窗口,從左至右,分別為正極和負極。另外在紅外接收二極管的管體頂端有一個小斜切平面,通常帶有此斜切平面一端的引腳為負極,另一端為正極。

(2)先用萬用表判別普通二極管正、負電極的方法進行檢查,即交換紅、黑表筆兩次測量管子兩引腳間的電阻值,正常時,所得阻值應為一大一小。以阻值較小的一次為準,紅表筆所接的管腳步為負極,黑表筆所接的管腳為正極。

2、檢測性能好壞。用萬用表電阻擋測量紅外接收二極管正、反向電阻,根據正、反向電阻值的大小,即可初步判定紅外接收二極管的好壞。

激光二極管

按照檢測普通二極管正、反向電阻的方法,即可將激光二極管的管腳排列順序確定。但檢測時要注意,由於激光二極管的正向壓降比普通二極管要大,所以檢測正向電阻時,萬用表指針公略微向右偏轉而已。

主要應用

電子電路應用

幾乎在所有的電子電路中,都要用到半導體二極管。半導體二極管在電路中的使用能夠起到保護電路,延長電路壽命等作用。半導體二極管的發展,使得集成電路更加優化,在各個領域都起到了積極的作用。二極管在集成電路中的作用很多,維持着集成電路正常工作。下面簡要介紹二極管在以下四種電路中的作用。

1、開關電路

在數字、集成電路中利用二極管的單向導電性實現電路的導通或斷開,這一技術現在已經得到廣泛應用。開關二極管可以很好的保護的電路,防止電路因為短路等問題而被燒壞,也可實現傳統開關的功能。開關二極管還有一個特性就是開關的速度很快。這是傳統開關所無法比擬的。 [11]

2、限幅電路

在電子電路中,常用限幅電路對各種信號進行處理。它是用來讓信號在預置的電平範圍內,有選擇地傳輸一部分信號。大多數二極管都可作為限幅使用,但有些時候需要用到專用限幅二極管,如保護儀表時。 3、穩壓電路

在穩壓電路中通常需要使用齊納二極管,它是一種利用特殊工藝製造的面結型半導體二極管,這種特殊二極管雜質濃度比較高,空間電荷區內的電荷密度大,容易形成強電場。當齊納二極管兩端反向電壓加到某一值,反向電流急增,產生反向擊穿。 4、變容電路

在變容電路中常用變容二極管來實現電路的自動頻率控制、調諧、調頻以及掃描振盪等。

工業產品應用

經過多年來科學家們不懈努力,半導體二極管發光的應用已逐步得到推廣,發光二極管廣泛應用於各種電子產品的指示燈、光纖通信用光源、各種儀表的指示器以及照明。發光二極管的很多特性是普通發光器件所無法比擬的,主要具有特點有:安全、高效率、環保、壽命長、響應快、體積小、結構牢固。因此,發光二極管是一種符合綠色照明要求的光源。 發光二極管在很多領域得到普遍應用,下面介紹幾點其主要應用:

1、電子用品中的應用

發光二極管在電子用品中一般用作屏背光源或作顯示、照明應用。從大型的液晶電視、電腦顯示屏到媒體播放器MP3、MP4以及手機等的顯示屏都將發光二極管用作屏背光源。

2、汽車以及大型機械中的應用

發光二極管在汽車以及大型機械中得到廣泛應用。汽車以及大型機械設備中的方向燈、車內照明、機械設備儀表照明、大前燈、轉向燈、剎車燈、尾燈等都運用了發光二極管。主要是因為發光二極管的響應快、使用壽命長(一般發光二極管的壽命比汽車以及大型機械壽命長)。

3、煤礦中的應用

由於發光二極管較普通發光器件具有效率高、能耗小、壽命長、光度強等特點,因此礦工燈以及井下照明等設備使用了發光二極管。雖然還未完全普及,但在不久將得到普遍應用,發光二極管將在煤礦應用中取代普通發光器件。 4、城市的裝飾燈

在當今繁華的商業時代,霓虹燈是城市繁華的重要標誌,但霓虹燈存在很多缺點,比如壽命不夠長等。因此,用發光二極管替代霓虹燈有着很多優勢,因為發光二極管與霓虹燈相比除了壽命長,還有節能、驅動和控制簡易、無需維護等特點。發光二極管替代霓虹燈將是照明設備發展的必然結果。

相關視頻

1、二極管工作原理

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2、二極管分類和二極管在電路中的作用

二極管分類和二極管在電路中的作用

參考來源

  1. 淺議二極管的原理,知網空間網,2015
  2. pn結的形成過程,電子發燒友網,2018-09-06
  3. 點接觸型二極管,ck3655測控網
  4. 晶體二極管分類及用途,賢集網,2017-11-14
  5. led二極管,齊家網
  6. 晶體二極管分類及用途,賢集網,2017-11-14
  7. 二極管的伏安特性曲線圖解,快資訊網,2019-08-19
  8. 二極管的基礎知識和參數選擇,電子發燒友網,2017-11-23
  9. 貼片二極管的檢測技巧,知網空間網
  10. 整流二極管怎麼測量_如何用萬用表檢測整流二極管的好壞,電子發燒友網,2018年01月13日
  11. 二極管工作原理及其主要應用,知網空間網,2010