二極管是半導(dǎo)體家族中簡單的一類分立元件，其明顯的性質(zhì)是單向?qū)щ?，即電流只能從一?cè)通過，而不能從另一側(cè)通過(從正極到負(fù)極)。本文討論了二極管的分類和命名方法，以及常用二極管的特性和選擇。它也是模擬電路的基礎(chǔ)。
一、基礎(chǔ)知識(shí)
1、二極管的分類
二極管有很多種，按使用的半導(dǎo)體材料可分為鍺二極管(Ge管)和硅二極管(Si管)。按管芯結(jié)構(gòu)可分為點(diǎn)接觸二極管、面接觸二極管和面接觸二極管。
根據(jù)二極管用途的不同，可分為檢波二極管、整流二極管、齊納二極管、開關(guān)二極管、肖特基二極管、發(fā)光二極管等。
2、二極管型號命名方法
(1)根據(jù)國內(nèi)半導(dǎo)體器件的型號命名方法，二極管的型號命名由五部分組成:主名稱、材質(zhì)和極性、類別、序號和規(guī)格號(同一產(chǎn)品的等級)。
(2)日本半導(dǎo)體器件的命名模型由以下五部分組成:
部分:半導(dǎo)體器件的有效數(shù)量和種類用數(shù)字表示；“1”代表二極管，“2”代表三極管。
第二部分:用“S”表示在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)注冊的半導(dǎo)體器件；
第三部分:用字母表示器件的材質(zhì)、極性和類型；
第四部分:標(biāo)明該設(shè)備在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)的注冊號；
第五部分:代表同型號的改進(jìn)產(chǎn)品。
3.幾種常見二極管的特性
(1)整流二極管
將交流電源整流成DC電流的二極管稱為整流二極管。由于結(jié)電容大，工作頻率低。
一般來說，IF在1 A以上的二極管都封裝在金屬外殼中，便于散熱。如果IF低于1安培，則使用全塑料封裝。
(2)開關(guān)二極管
在脈沖數(shù)字電路中，用來導(dǎo)通和關(guān)斷電路的二極管稱為開關(guān)二極管，其特點(diǎn)是反向恢復(fù)時(shí)間短，可以滿足高頻和超高頻應(yīng)用的需要。
開關(guān)二極管有幾種類型，如接觸型、平面型和擴(kuò)散臺(tái)面型。一般IF < 500 mA的硅開關(guān)二極管大多封裝在全密封的環(huán)氧樹脂和陶瓷芯片中。
(3)齊納二極管
齊納二極管是由硅材料制成的表面鍵合晶體二極管。因?yàn)槟茉陔娐分衅鸬椒€(wěn)壓的作用，所以叫齊納二極管。
它利用PN結(jié)電壓基本不隨電流變化的特性來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。
(4)變?nèi)荻O管
變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)電容隨外加偏壓變化的特性制成的非線性電容元件，廣泛應(yīng)用于參量放大器、電子調(diào)諧、倍頻器等微波電路中。
壓敏電阻主要是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝等一系列方式突出電容和電壓之間的非線性關(guān)系，提高Q值以適應(yīng)應(yīng)用。
(5)TVS二極管
TVS二極管(瞬態(tài)電壓抑制器)與受保護(hù)電路并聯(lián)。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過電路正常工作電壓時(shí)，二極管會(huì)雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，從而保護(hù)內(nèi)部電路免受過壓擊穿或過流過熱。
由于TVS二極管的結(jié)面積大，所以具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點(diǎn)，具有理想的保護(hù)功能。
二、二極管參數(shù)選擇
(1)額定正向工作電流
額定正向工作電流是指二極管長時(shí)間連續(xù)工作時(shí)允許通過的正向電流值。
(2)浪涌電流
浪涌電流是允許流動(dòng)的過大正向電流。不是正常電流，是瞬時(shí)電流。其值通常為額定正向工作電流的20倍左右。
(3)反向工作電壓
當(dāng)二極管兩端的反向工作電壓達(dá)到一定值時(shí)，電子管將被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。為了保證使用安全，規(guī)定了反向工作電氣值。比如lN4001二極管的反向耐壓是50V，lN4007的反向耐壓是1000V。
(4)反向電流
反向電流是指在規(guī)定的溫度和反向電壓下流經(jīng)二極管的反向電流。反向電流越小，管的單向?qū)щ娦栽胶谩?/p>
反向電流與溫度密切相關(guān)。溫度每升高10℃，反向電流就增加一倍。
硅二極管在高溫下比鍺二極管具有更好的穩(wěn)定性。
(5)反向恢復(fù)時(shí)間
當(dāng)電壓從直流電壓變?yōu)榉聪螂妷簳r(shí)，電流不可能瞬間截止，需要時(shí)間，也就是反向恢復(fù)時(shí)間。它直接影響二極管的開關(guān)速度。
(6)權(quán)力
功率是二極管上的電壓乘以流過的電流。該極限參數(shù)專用于齊納二極管等。
(7)頻率特性
由于結(jié)電容的原因，當(dāng)頻率達(dá)到一定程度時(shí)，容抗小到PN結(jié)短路。結(jié)果二極管失去了單向?qū)ㄐ?，無法工作。PN結(jié)面積越大，結(jié)電容越大，所以不能在高頻下工作。
1.不同二極管的選擇
(1)檢測二極管
檢測二極管一般可以是點(diǎn)接觸鍺二極管，根據(jù)電路的具體要求選擇工作頻率高、反向電流小、正向電流大的檢測二極管。
(2)整流二極管
整流二極管一般是平面硅二極管，用于各種電源整流電路。選擇整流二極管時(shí)，要考慮整流電流、反向工作電流、截止頻率、反向恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)。普通串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路中使用的整流二極管對截止頻率的反向恢復(fù)時(shí)間要求不高，只要根據(jù)電路的要求選擇整流電流和反向工作電流令人滿意的整流二極管即可。
(3)齊納二極管
齊納二極管通常用作穩(wěn)壓電源中的基準(zhǔn)電壓源，或用作過壓保護(hù)電路中的保護(hù)二極管。所選的齊納二極管應(yīng)滿足應(yīng)用電路中主要參數(shù)的要求。齊納二極管的穩(wěn)壓值應(yīng)與應(yīng)用電路的參考電壓值相同，齊納二極管的穩(wěn)壓電流應(yīng)比應(yīng)用電路的負(fù)載電流高50%左右。
(4)開關(guān)二極管
開關(guān)二極管主要用于錄音機(jī)、電視機(jī)、DVD播放機(jī)等家電和電子設(shè)備中，包括開關(guān)電路、檢測電路和高頻脈沖整流電路。
中速開關(guān)電路和檢測電路可選用2AK系列普通開關(guān)二極管。高速開關(guān)電路可以選擇RLS系列、1SS系列、1N系列、2CK系列的高速開關(guān)二極管。
開關(guān)二極管的具體型號應(yīng)根據(jù)應(yīng)用電路的主要參數(shù)(如正向電流、反向電壓、反向恢復(fù)時(shí)間等)來選擇。).
(5)變?nèi)荻O管
選擇變?nèi)荻O管時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮其工作頻率、反向工作電壓、正向電流和零偏結(jié)電容是否滿足應(yīng)用電路的要求。我們應(yīng)該選擇結(jié)電容變化大，Q值高，反向漏電流小的變?nèi)荻O管。
2.TVS二極管選擇
(1)擊穿電壓VBR和擊穿電流IR VBR是TVS的擊穿電壓。在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓，TVS不會(huì)產(chǎn)生雪崩。當(dāng)1mA的額定電流(IR)流過TVS時(shí)，施加于TVS兩極的電壓就是其擊穿電壓V BR。根據(jù)TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，VBR可分為5%和10%。對于5%的VBR，VWM = 0.85 VBR；；對于10% VBR，V WM =0.81VBR .為了滿足IEC61000-4-2的國際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須能夠處理8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，一些半導(dǎo)體制造商在其產(chǎn)品上使用更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。對于一些有特殊要求的便攜式設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要選擇元件。
(2)反向漏電流ID和額定反向截止電壓VWM。VWM是二極管在正常狀態(tài)下所能承受的電壓，應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓，否則二極管會(huì)不斷切斷回路電壓；但需要盡可能接近被保護(hù)電路的正常工作電壓，以免TVS工作前整個(gè)電路面臨過壓的威脅。當(dāng)這個(gè)額定反向截止電壓VWM施加在TVS的兩極之間時(shí)，它處于反向截止?fàn)顟B(tài)，流過它的電流應(yīng)該小于或等于它的反向漏電流ID。
(3)箝位電壓VC和峰值脈沖電流ippp。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20ms的脈沖峰值電流IPP流經(jīng)TVS時(shí)，其兩端出現(xiàn)的峰值電壓為VC。V C和IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR的比值稱為鉗位因子，一般在1.2-1.4之間。VC是二極管在關(guān)斷狀態(tài)下提供的電壓，即ESD沖擊狀態(tài)下通過TVS的電壓，不能大于被保護(hù)電路的容許極限電壓，否則元件有損壞的危險(xiǎn)。
(4)4)Pppm的額定脈沖功率是基于此時(shí)的截止電壓和峰值脈沖電流。對于手持設(shè)備來說，500W的電視一般就足夠了。峰值脈沖功耗PM是電視所能承受的峰值脈沖功耗。在特定的箝位電壓下，功耗PM越大，浪涌電流容限越大。在特定功耗PM下，箝位電壓VC越低，浪涌電流容限越大。此外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且TVS能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，元件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。如果電路中出現(xiàn)重復(fù)脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的積累，這可能會(huì)損壞TVS。
(5)電容c電容c由TVS雪崩結(jié)的橫截面決定，在1MHz的特定頻率下測量。C的大小與TVS管的電流承載能力成正比，太大的C會(huì)衰減信號。因此，C是為數(shù)據(jù)接口電路選擇TVS的重要參數(shù)。電容對數(shù)據(jù)/信號電路的頻率越高，二極管電容對電路的干擾越大，造成噪聲或信號強(qiáng)度衰減，所以需要根據(jù)電路的特性確定所選元件的電容范圍。一般高頻電路(如SAC(500W，50pF，10%)，LCE(1.5KW，100pF)，低電容TVS)的電容盡量小，對電容要求不高的電路電容可以高于40pF。
3.肖特基二極管和普通二極管的區(qū)別
硅管初始導(dǎo)通壓降約為0.5V，正常導(dǎo)通壓降約為0.7V，接近極限電流時(shí)導(dǎo)通壓降約為1V。
鍺管初始導(dǎo)通壓降約為0.2V，正常導(dǎo)通壓降約為0.3V，接近極限電流時(shí)導(dǎo)通壓降約為0.4V。
肖特基二極管初始導(dǎo)通壓降約為0.4V，正常導(dǎo)通壓降約為0.5V，接近極限電流時(shí)導(dǎo)通壓降約為0.8V。
兩個(gè)二極管都是單向?qū)ǖ模捎糜谡?。不同的是，普通的硅二極管可以承受高電壓，但恢復(fù)速度較低，只能用于低頻整流。如果是高頻，會(huì)因?yàn)椴荒芸焖倩謴?fù)而發(fā)生反向泄漏，導(dǎo)致燈管發(fā)熱燒毀嚴(yán)重。肖特基二極管的耐壓往往較低，但恢復(fù)速度快，可以用在高頻場合，所以開關(guān)電源采用這種二極管作為整流輸出。盡管如此，開關(guān)電源上的整流管溫度仍然很高。
快速恢復(fù)二極管是指反向恢復(fù)時(shí)間短(小于5us)的二極管。工藝上多采用金摻雜措施，有的結(jié)構(gòu)采用PN結(jié)結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)的PIN結(jié)構(gòu)。其正向壓降高于普通二極管(1-2V)，反向耐壓大多在1200V V以下，性能分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)級別。前者的反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，而后者的反向恢復(fù)時(shí)間在100納秒以下。肖特基二極管是基于金屬與半導(dǎo)體接觸形成的勢壘的二極管，簡稱肖特基勢壘二極管。它具有正向電壓降低(0.4 - 0.5V)，反向恢復(fù)時(shí)間短(10-40納秒)，反向漏電流大，耐壓低，一般低于150V， 多用于低電壓場合。這兩種管通常用于開關(guān)電源。肖特基二極管和快恢復(fù)二極管不一樣:前者的恢復(fù)時(shí)間比后者短100倍左右，而前者的反向恢復(fù)時(shí)間大約是幾納秒~！前者的優(yōu)點(diǎn)包括低功耗，大電流，超高速~！當(dāng)然，電氣特性都是二極管。該快恢復(fù)二極管通過使用金摻雜、簡單擴(kuò)散等工藝可以獲得高開關(guān)速度和高耐壓。目前，快恢復(fù)二極管主要用作逆變電源中的整流元件。
肖特基二極管:
反向耐壓低(一般小于150V)，通態(tài)壓降0.3-0.6V，反向恢復(fù)時(shí)間小于10nS。它是一種具有肖特基特性的“金屬半導(dǎo)體結(jié)”二極管。它的正向啟動(dòng)電壓很低。
除了材料之外，金屬層還可以由金、鉬、鎳、鈦等材料制成。其半導(dǎo)體材料為硅或砷化鎵，多為N型半導(dǎo)體。該器件通過多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此其反向飽和電流比少數(shù)載流子更導(dǎo)電。
PN結(jié)要大得多。由于肖特基二極管中少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)很小，其頻率響應(yīng)只受RC時(shí)間常數(shù)的限制，因此是高頻快速開關(guān)的理想器件。其工作頻率可達(dá)100GHz。而且MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或者發(fā)光二極管。
快速恢復(fù)二極管:正向?qū)▔航?.8-1.1V，反向恢復(fù)時(shí)間35-85nS。它可以在開和關(guān)之間快速切換，提高了設(shè)備的頻率，改善了波形。該快恢復(fù)二極管通過使用金摻雜和簡單擴(kuò)散可以獲得高開關(guān)速度和高耐壓。
目前，快恢復(fù)二極管主要用作逆變電源中的整流器。
FRD是近年來出現(xiàn)的一種新型半導(dǎo)體器件。它具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短、正向電流大、體積小、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。SRD(Superfast Recovery Diode，SRD)是在快恢復(fù)二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其反向恢復(fù)時(shí)間trr值接近肖特基二極管的指標(biāo)。它們可廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、脈寬調(diào)制器(PWM)、不間斷電源(UPS)、交流電機(jī)變頻調(diào)速(VVVF)、高頻加熱等器件，作為高頻大電流續(xù)流二極管或整流器，是非常有前途的電力和電子半導(dǎo)體器件。
肖特基二極管:反向耐壓低(一般小于150V)，通態(tài)壓降0.3-0.6V，反向恢復(fù)時(shí)間小于10nS。它是一種具有肖特基特性的“金屬半導(dǎo)體結(jié)”二極管。它的正向啟動(dòng)電壓很低。除了材料之外，金屬層還可以由金、鉬、鎳、鈦等材料制成。其半導(dǎo)體材料為硅或砷化鎵，多為N型半導(dǎo)體。這種器件是多數(shù)載流子導(dǎo)通的，所以它的反向飽和電流遠(yuǎn)大于少數(shù)載流子導(dǎo)通的PN結(jié)。由于肖特基二極管中少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)很小，其頻率響應(yīng)只受RC時(shí)間常數(shù)的限制，因此是高頻快速開關(guān)的理想器件。其工作頻率可達(dá)100GHz。而且MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或者發(fā)光二極管。
快速恢復(fù)二極管:正向?qū)▔航?.8-1.1V，反向恢復(fù)時(shí)間35-85nS。它可以在開和關(guān)之間快速切換，提高了設(shè)備的頻率，改善了波形。在制造過程中，快恢復(fù)二極管可以獲得高開關(guān)速度和高耐壓。目前，快恢復(fù)二極管主要用作逆變電源中的整流元件?？旎謴?fù)二極管FRD(Fast Recovery Diode)是近年來問世的一種新型半導(dǎo)體器件，具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短、正向電流大、體積小、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。SRD(Superfast Recovery Diode，SRD)是在快恢復(fù)二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其反向恢復(fù)時(shí)間trr值接近肖特基二極管的指標(biāo)。它們可廣泛用于開關(guān)電源、脈寬調(diào)制器(PWM)、不間斷電源(UPS)、 交流電機(jī)(VVVF)的變頻調(diào)速、高頻加熱等裝置，作為高頻大電流續(xù)流二極管或整流器，它們是非常有前途的電力和電子半導(dǎo)體器件。
4.TVS二極管和ESD保護(hù)二極管的區(qū)別
瞬態(tài)電壓抑制
無論電視是如何產(chǎn)生的，如直接或間接雷擊、靜電放電、大容量負(fù)載切換等因素，電壓從幾伏到幾十千伏甚至更高。
ESD靜電放電保護(hù)
主要應(yīng)用是HBM和MM，簡而言之就是人或設(shè)備對器件放電(靜電)，但不能損壞器件。
典型的HBM CLASS 1C模型規(guī)定，以1000V-2000V充電的100pF電容器通過1500歐姆的電阻器對器件放電。
MM模特比人體模特更有活力。電容200pF，電壓200-400左右，但是沒有串聯(lián)電阻。
典型人體模型放電，峰值電流小于0.75A，時(shí)間為150ns。
典型機(jī)型放電，峰值電流小于8A，時(shí)間為5ns。
典型的雷電浪涌(用于電力線進(jìn)線的TVS)峰值電流為3000A，持續(xù)20us。
TVS二極管和ESD保護(hù)二極管原理相同，但根據(jù)功率和封裝不同而不同。
如果將ESD保護(hù)二極管與TVS進(jìn)行比較，則取決于應(yīng)用。例如，ESD主要用于防止靜電，這需要較低的電容值，通常在1到3.5 PF之間。但是，TVS做不到這一點(diǎn)，TVS的電容值很高。