ROHM课堂丨二极管基础

　　二极管是一种双端半导体器件，凭借其电流几乎只能单向流动的特性，在众多电子电路中发挥着重要作用。

　　具体而言，有将交流电(AC)转换为直流电(DC)的整流二极管、产生基准电压的齐纳二极管、在防止逆流的同时抑制电压损耗的肖特基势垒二极管，以及发光的LED(发光二极管)等多种产品。

　　本文将阐述二极管如何实现单向导电、其基础——PN结的结构、不同种类二极管的特点，以及选型时的关键要点。通过正确使用二极管，可以抑制不必要的电压降，提升电路的安全性和效率。

　　二极管的基本结构和工作原理

　　二极管的核心部分是p型与n型半导体紧密结合形成的PN结。在这个结区会自然形成几乎没有载流子的“耗尽层”，这对于限制电流的流动起着重要的作用。

　　当施加正向电压(阳极接正)时，耗尽层变薄，p型半导体侧的多数载流子空穴与n型半导体侧的多数载流子电子会越过结界面注入到对方区域。这些多数载流子的扩散运动所产生的扩散电流，构成了正向电流的主要成分。

　　在施加反向(阴极接正)电压时，耗尽层变厚，多数载流子几乎无法跨越结界面，因此几乎没有电流流过。然而，由于少数载流子会产生微小的漏电流，如果施加非常高的反向电压，可能会发生击穿，导致大量反向电流流过。

　　综上所述，“在正向偏置时，通过多数载流子的注入与扩散形成电流通路;而在反向偏置时，除漏电流外，电流几乎完全被阻断”——正是这一工作原理，实现了二极管的单向导电特性。

　　二极管的作用

　　典型的硅整流二极管，发挥着由p型和n型半导体结合而成的类似“止回阀”的作用。对于硅二极管来说，当施加大约0.6~0.8V的正向电压时，实用的正向电流便开始流动。相反，若施加反向电压，二极管仅允许微小的漏电流(反向饱和电流)通过(若超过额定电压则会发生击穿)。

　　例如在电源线路的整流电路中，二极管用于阻断不必要的反向电压;而在IC的输入电路等应用中，则作为保护元件，防止器件受到反向电流和浪涌的损害。在电路图中，带有箭头的符号表示这种单向性。

　　补充知识

　　硅二极管的正向电压降约为0.7V，而肖特基势垒二极管的则更低，约为0.2~0.4V。在重视低电压电路和节能的应用中，这种低电压特性优势显著。

　　PN结与耗尽层

　　p型半导体中空穴较多，n型半导体中电子较多。两者结合时，在交界面附近，载流子扩散并复合，最终形成仅剩固定离子的耗尽层。p侧和n侧暴露的离子会产生电场和电势差，从而形成我们在前一篇文章“PN结”中提到的内建电势。

　　当施加正向偏压时，内建电势的势垒减弱，耗尽层变窄。因此，从p区到n区的空穴和从n区到p区的电子作为多数载流子注入对方区域，导致电流急剧增加。

　　施加反向偏压时，内建电势的势垒会进一步提高，耗尽层也会变得更宽。多数载流子几乎无法穿越PN结，只有少数载流子形成的微小漏电流得以流过。

　　此外，发光二极管(LED)仅在正向偏置时发光也是基于这一原理。即使利用同样的PN结，通过精心设计材料和结构，也能实现各种特性，例如用于高频信号开关的PIN二极管，以及产生激光的激光二极管等。

　　阈值电压与击穿电压

　　在施加正向电压时，除非超过一定的阈值电压，否则电流不会显著增大。对于硅二极管而言，参考值约为0.7V;若是锗二极管，则大约在0.3V左右;如果是肖特基势垒二极管，其范围约为0.2~0.4V。

　　如果持续施加过高的反向电压，一旦会超过击穿电压，反向电流就会急剧增大。对于普通的整流二极管来说，这往往伴随着故障风险，然而，齐纳二极管却利用这一特性，根据预定的齐纳电压对电压进行箝位，从而充当电路的“过压安全阀”。

　　此外，发光二极管(LED)仅在正向偏置时发光也是基于这一原理。即使利用同样的PN结，通过精心设计材料和结构，也能实现各种特性，例如用于高频信号开关的PIN二极管，以及产生激光的激光二极管等。

　　阈值电压与击穿电压

　　在施加正向电压时，除非超过一定的阈值电压，否则电流不会显著增大。对于硅二极管而言，参考值约为0.7V;若是锗二极管，则大约在0.3V左右;如果是肖特基势垒二极管，其范围约为0.2~0.4V。

　　如果持续施加过高的反向电压，一旦会超过击穿电压，反向电流就会急剧增大。对于普通的整流二极管来说，这往往伴随着故障风险，然而，齐纳二极管却利用这一特性，根据预定的齐纳电压对电压进行箝位，从而充当电路的“过压安全阀”。

　　如该公式所示，当电压超过一定程度时，电流便会呈指数级增长，给人一种“只要稍微超过阈值，电流就会急剧增大”的印象。在实际电路中，由于会加入串联电阻、结电容、温度等因素，通常需要利用技术规格书和SPICE进行最终确认。

　　温度特性与安装注意事项

　　当二极管温度升高时，正向电压会下降，这意味着即使相同的电压，也会有更大的电流流过，存在热失控的风险。对于整流电路等流过大电流的部位，需要设计散热器或采用强制空冷，以确保对二极管的发热量有充分的裕量。

　　在安装阶段(例如回流焊等)，同样需要注意不要超出封装的容许温度，这非常重要。避免超过额定值使用和在高温环境下使用，直接关系到能否确保长期可靠性。

　　二极管的种类

　　二极管种类繁多，包括整流二极管、齐纳二极管、肖特基二极管、LED(发光二极管)等，可根据不同用途选择相应的产品。此外，还有激光二极管和PIN二极管等适用于特殊用途的产品，根据具体的目的进行正确选择，有助于提升电路性能。

　　二极管的分类

　　二极管大致可分为整流二极管(电源的AC→DC转换等)、齐纳二极管(提供恒定的基准电压及保护功能)、肖特基势垒二极管(具有低正向电压与高速特性)、LED(发光)等几类。

　　在规格方面，有包括耐压、容许电流、封装形状等在内的多种规格项。另外，市场上还有针对特定用途的细分小众产品，例如锗二极管(特点在于低正向电压)和恒流二极管等。选择规格符合实际用途需求的产品，是降低损耗并提高可靠性的关键。

　　通用(整流)二极管

　　在家用交流电源和工业电源装置等的整流电路中，通用整流二极管得到广泛应用。在很多情况下，设计上会采用4个二极管通过桥式连接将负半周期进行反转，并通过电容器进行滤波平滑处理，最终产生DC(直流电)。

　　然而，由于其正向电压约为0.7V，在处理大电流的应用场景，发热和效率下降是不可忽视的问题。在这种情况下，也可以考虑改用肖特基势垒二极管来抑制电压损耗。另外，也需要选择能够应对大容量电容器充电时产生的浪涌电流(Surge)的额定规格，这一点至关重要。

　　齐纳二极管

　　齐纳二极管是一种具有在反向电压超过一定值(齐纳电压)时发生击穿，并能维持稳定的恒定电压特性的二极管。作为恒压源、过电压保护电路或简易的基准源，得到了广泛的应用。

　　例如5V左右的齐纳二极管若配置在微控制器输入引脚附近，则即使发生浪涌电压，也会在5V附近被钳位，从而能够保护输入引脚。但需要注意的是，当齐纳二极管流过大电流时，可能引发热击穿，因此需要正确设置其前级电阻的阻值和额定功率。

　　肖特基势垒二极管

　　肖特基势垒二极管通过金属与半导体直接接合，可实现比普通PN结二极管更低的正向电压，并且能够高速开关。有些产品可以在0.2～0.4V左右的电压降条件下工作，常被用于开关电源的二次侧整流及OR连接防止逆流等重视效率和速度的应用中。

　　但是，由于其反向耐压能力相对较低，可能不适用于高电压线路。尽管如此，在5V和3.3V等低电压线路中，其优势依然可以得到发挥。

　　LED

　　LED(Light Emitting Diode)是一种在施加正向电流时会发光的二极管。它利用了电子与空穴复合时释放光子的原理。其常规的正向电压为：红色LED约1.8～2.2V，蓝色和白色LED约3V。

　　从小小的指示灯，到汽车前照灯，再到室内照明，其应用范围非常广泛。激光二极管是在LED原理的基础上进一步发展，将光放大成狭窄光束状的产品。无论哪种应用场景，过电流都可能导致故障，因此使用串联电阻或恒流驱动器进行适当的电流控制至关重要。

　　二极管的主要用途和应用实例

　　二极管不仅能够将交流电整流为直流电，还广泛应用于限压保护电路、通信信号检波以及波形控制等应用。

　　电源电路中的整流

　　在电源设计中，首先需要将交流电转换为直流电的“整流”处理。通过使用桥式整流电路，可以充分利用交流电的正负半周期，将整个波形整形成正极侧的脉动直流电。然后通过电容器进行滤波平滑处理，再连接线性稳压器或开关式稳压器，通常可以获得对负载波动和输入变化具有较强抗干扰能力的稳定的输出电压。

　　开关电源通常会在高频开关后，在次级侧使用快恢复二极管，以减少损耗。如果选错整流二极管，会导致能量损耗和发热量增大，从而引起效率下降和可靠性恶化，因此需要特别注意。

　　保护电路和浪涌对策

　　二极管在防止逆流和抑制过电压方面也发挥着重要作用。继电器或电机等感性负载关断时产生的高电压尖峰，可以通过反向连接二极管(续流二极管)来安全地泄放。

　　另外，使用齐纳二极管可以在反方向上钳位超过一定值的电压，从而保护IC引脚。此外，ESD保护二极管可将静电引起的浪涌电流引导至接地，从而保护电路板上的重要元器件。

　　信号处理和通信电路

　　二极管不仅用于整流和保护，还被广泛应用于通信和模拟信号处理领域。例如，AM收音机的检波电路就是利用二极管提取波形的“包络线”， 从而获取音频成分的。在限幅电路和钳位电路中，超出一定电平的波形将被削除或添加直流偏置。

　　在高频领域，PIN二极管常被用作开关元件或可变衰减器;变容二极管(Varactor Diode)则被用于通过电压调整VCO(压控振荡器)的振荡频率等多种用途。综上所述，利用二极管的特性实现了多种多样的电子电路。

　　矩阵键盘电路等应用

　　键盘矩阵中，当多个按键同时按下时，可能产生非预期的电流路径，从而导致鬼键现象(即未按下的按键被误识别为按下状态)。因此，可通过在每个按键上配置二极管来限制电流方向，从而准确识别按键输入。

　　此外，二极管在巧妙地控制电流路径方面也发挥着重要作用，例如将电容器与二极管组合产生高电压的倍压电路(Voltage-multiplier Circuits)，以及自动切换多个电源的OR连接电路等。

　　总结

　　二极管是一种半导体器件，具有理想情况下只允许电流单向流动这一简单特性。虽然特性简单，实际上二极管已被用于多种多样的用途，例如稳压电源、保护电路免受过电压影响，以及进行信号整形和波形检测等众多场景。

　　整流二极管、齐纳二极管、肖特基势垒二极管、LED、激光二极管等不同的产品，它们各具特性和擅长领域，而这也正是为了满足电路设计需求而不断发展进步的结果。

　　通过准确理解PN结的机制、温度特性、击穿电压等基本概念，并根据具体应用需求选择合适的二极管，可以在抑制电压损耗的同时，进一步提高电路的安全性和效率。