電路設(shè)計(jì)與制作（含活頁(yè)式實(shí)訓(xùn)工單） 課件 項(xiàng)目1 任務(wù)3 二極管的使用

項(xiàng)目1電路基礎(chǔ)元件的使用

任務(wù)3二極管的使用任務(wù)描述電路設(shè)計(jì)中會(huì)用到很多二極管，本任務(wù)幫助讀者了解二極管的原理，掌握二極管的基本參數(shù)，包括最大反向電壓、最大正向電流、正向壓降等，幫助讀者學(xué)習(xí)不同種類二極管在電路中的作用和應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式，實(shí)際搭建并測(cè)試二極管電路的效果，加深對(duì)二極管使用的理解和掌握能力。知識(shí)儲(chǔ)備

一、二極管概述人們?cè)?884年就發(fā)現(xiàn)二極真空管具有整流特性和愛迪生效應(yīng)，當(dāng)時(shí)主要使用多結(jié)晶半導(dǎo)體制作二極管。隨著技術(shù)的提升，目前二極管多用單結(jié)晶半導(dǎo)體材料生產(chǎn)，主要是硅或鍺，其中，硅材料具有高耐熱性，且不易損壞，所以硅材料應(yīng)用更多。一、二極管概述普通整流二極管是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成PN結(jié)形式。二極管有極性之分，其中P型半導(dǎo)體所引出的電極為正極，N型半導(dǎo)體所引出的電極為負(fù)極，其結(jié)構(gòu)和電路圖符號(hào)如圖1-35所示。

（a）二極管模式圖（b）二極管記號(hào)圖一、二極管概述二極管兩極都為雜質(zhì)半導(dǎo)體，主要成分為硅或鍺晶體，但摻入的雜質(zhì)元素不同。N型半導(dǎo)體主要摻入的雜質(zhì)為磷或銻元素，其具有高電子濃度，通過(guò)自由電子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電功能；P型半導(dǎo)體主要摻入的雜質(zhì)為硼或銦元素，含有較高濃度的“空穴”（類似正電荷），可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。

知識(shí)補(bǔ)充在正常情況下，PN結(jié)是一個(gè)開路狀態(tài)。但當(dāng)把PN結(jié)用直流電源連接時(shí)，會(huì)出現(xiàn)PN結(jié)正向偏置和反向偏置兩種情況。在正向偏置下，PN結(jié)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)電子注入P區(qū)和空穴注入N區(qū)的現(xiàn)象，導(dǎo)致PN結(jié)的電阻降低；而在反向偏置下，PN結(jié)內(nèi)部的電荷分布會(huì)產(chǎn)生調(diào)制，導(dǎo)致PN結(jié)的電阻變大。

一、二極管概述二極管由于PN結(jié)的存在，具有整流作用，相當(dāng)于一個(gè)電流的單向開關(guān)，即電流只能從正極流向負(fù)極，而不能反方向流入，如圖1-36所示。

（a）順向（b）反向一、二極管概述1N4148就是一種典型的整流二極管，其正向最大工作電流可達(dá)75mA，正向?qū)〞r(shí)其壓降只有大約0.7V；而其反向峰值耐壓為100V，只要其反向電壓低于該值，則均能有效截止電流。如圖1-37所示，就是其玻璃封裝的直插型號(hào)。該二極管有兩個(gè)引腳，標(biāo)有黑色圓環(huán)的一端代表負(fù)極，另一端則為正極，常用于繼電器續(xù)流、隔離等，適用于小功率電路?！?N”表示器件為二極管，代表1個(gè)PN結(jié)，“4148”則表示型號(hào)。

二、二極管分類二極管種類眾多，外形各異，封裝方法也不盡相同?？傮w來(lái)說(shuō)，二極管可以從以下5個(gè)方面進(jìn)行分類。1. 按頻率分類按頻率分類是最基本的分類方法，根據(jù)不同的二極管特性，可分為整流二極管、開關(guān)二極管、肖特基勢(shì)壘二極管、齊納二極管和用于高頻帶的高頻二極管，如圖1-38所示。其中，恒壓二極管主要用于保護(hù)電路，但隨著電路的精密化和微細(xì)化要求的提高，目前更常用高性能的瞬態(tài)電壓抑制二極管作為保護(hù)元件。2. 按結(jié)構(gòu)分類目前，根據(jù)二極管的結(jié)構(gòu)，二極管可分為平面形和臺(tái)面形，如圖1-39所示。（a）平面形

（b）臺(tái)面型圖1-39二極管構(gòu)造2. 按結(jié)構(gòu)分類平面型是半導(dǎo)體構(gòu)造最常用的方法，類似于“凹”型，在硅基板上形成氧化膜，然后中間開孔，擴(kuò)散雜質(zhì)，如圖1-39（a）所示。臺(tái)面型具有高耐壓的特性，類似于“凸”型，這使得逆電壓容易增大，逆電流也增大，因此多用于整流二極管，如圖1-39(b)所示。2. 按結(jié)構(gòu)分類按二極管的結(jié)構(gòu)分類如圖1-40所示。3. 按正向電流分類該方法主要根據(jù)二極管正向電流的大小進(jìn)行分類，若正向電流小于1A，則稱為小信號(hào)二極管，否則，稱為中功率/大功率二極管（如圖1-41所示）。4. 按集成度分類根據(jù)是否將多個(gè)二極管進(jìn)行集聚，主要分為二極管和二極管陣列（如圖1-42所示）。5. 按形狀分類該方法主要是根據(jù)實(shí)際封裝的形狀進(jìn)行分類，主要分為插腳型和貼片型。直插型二極管如圖左所示。貼片型二極管如圖右所示。二、二極管分類二極管類型很多，無(wú)論是直插還是貼片，都有多種形態(tài)封裝，很難僅從形狀判斷元件是否為二極管，讀者可查閱相關(guān)資料做進(jìn)一步的了解。三、常見二極管類型1.整流二極管整流二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖1-46所示。整流二極管用于電流整流，可對(duì)電源的輸入端起到整流作用，容易獲得1A以上、400V/600V的高耐壓。

1.整流二極管整流二極管可對(duì)商用頻率的交流電進(jìn)行整流，其目的是將交流電轉(zhuǎn)為直流電，從而獲得高電壓、高電流。根據(jù)不同的使用頻率、條件和轉(zhuǎn)換效率，整流二極管可用于制作低正向電壓、低噪等產(chǎn)品。整流二極管的作用如圖1-47所示。

1.整流二極管在常見的單相橋式整流電路中，四個(gè)整流二極管被連接成一個(gè)橋式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更高效的整流，如圖1-48所示。

2.開關(guān)二極管開關(guān)二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖1-49所示。

2.開關(guān)二極管開關(guān)二極管可用于設(shè)備的開關(guān)，只有向該二極管施加正向電壓時(shí)，才有電流，否則電流將無(wú)法通過(guò)，如圖1-50所示。該類二極管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為完全關(guān)閉狀態(tài)所需的時(shí)間短，即反向恢復(fù)時(shí)間短。一般來(lái)說(shuō)，關(guān)閉設(shè)備元件是無(wú)法瞬間停止的，會(huì)有反向電流流通，漏電電流越大，對(duì)設(shè)備元件也越易產(chǎn)生損耗。因此，反向恢復(fù)時(shí)間越短，越能實(shí)現(xiàn)低損耗、高速開關(guān)。

2.開關(guān)二極管

2.開關(guān)二極管需要注意的是，整流二極管和開關(guān)二極管之間具有較大差異，具體如圖1-51所示。圖中藍(lán)色曲線為開關(guān)二極管的特性曲線，黑色曲線則是整流二極管的曲線，可以看到兩種二極管反向恢復(fù)時(shí)間的差異，開關(guān)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間極短。

3.肖特基勢(shì)壘二極管肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD）的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖1-52所示。

3.肖特基勢(shì)壘二極管與一般二極管不同，肖特基勢(shì)壘二極管將金屬與半導(dǎo)體結(jié)合來(lái)發(fā)揮其特性，有正向電壓低、開關(guān)迅速的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)使用的金屬不同，肖特基勢(shì)壘二極管可用于制造低正向電壓型、低漏電流型產(chǎn)品。但其漏電流大，易引起熱失控，即當(dāng)正向電流變大時(shí)，肖特基勢(shì)壘二極管會(huì)發(fā)熱，從而致使漏電流IR變大，環(huán)境溫度上升。若熱設(shè)計(jì)不合理，發(fā)熱速度大于散熱速度，肖特基勢(shì)壘二極管會(huì)持續(xù)發(fā)熱，漏電流也持續(xù)增加，最終損壞元件，如圖1-53所示。

3.肖特基勢(shì)壘二極管當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，普通二極管會(huì)產(chǎn)生0.7-1.7V的電壓降，但是肖特基勢(shì)壘二極管的電壓降僅為0.15-0.45V，大大提升了系統(tǒng)效率。同樣地，特基二極管與一般整流二極管之間也存在差異，具體如圖1-54所示。

3.肖特基勢(shì)壘二極管但是，肖特基勢(shì)壘二極管與一般整流二極管最大的差異在于反向恢復(fù)時(shí)間。一般整流二極管的時(shí)間為幾百納秒，即使是高速二極管，也會(huì)低于100納秒，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾噪聲。而小信號(hào)的肖特基勢(shì)壘二極管的切換時(shí)間約為幾十皮秒，大容量的特殊肖特基勢(shì)壘二極管也在皮秒級(jí)別，因此可稱肖特基勢(shì)壘二極管沒(méi)有反向恢復(fù)時(shí)間，無(wú)反相電流問(wèn)題，可立即切換。

4.齊納（恒壓）二極管齊納二極管（ZenerDiode）的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖1-55所示。

4.齊納（恒壓）二極管齊納二極管又稱恒壓二極管，顧名思義，恒壓二極管主要用于恒定電壓，盡管電流變化，但是電壓不變，可用于保護(hù)元件，避免集成電路芯片因浪涌電流和靜電而造成損壞。與一般二極管不同的是，齊納二極管是反向使用的，反向擊穿電壓稱為齊納電壓(VZ)，此時(shí)的電流值稱為齊納電流(IZ)，具體工作方式如圖1-56所示。

5.TVS二極管TVS二極管又稱瞬態(tài)抑制二極管，即當(dāng)電路在瞬間受到高能量沖擊的時(shí)候，能吸收瞬間大電流和高電壓鉗位，從而保護(hù)電路或設(shè)備。因此，其具有浪涌吸收能力，且響應(yīng)十分迅速，可達(dá)亞納秒級(jí)。

5.TVS二極管根據(jù)不同的電路，TVS二極管的使用也不相同。TVS二極管可分為單向或雙向，前者常用于直流電路，后者多用于交流電路。將需要保護(hù)的電路與該二極管并聯(lián)，若瞬時(shí)電壓超過(guò)正常工作電壓，TVS二極管會(huì)向瞬時(shí)電流提供超低電阻通路，從而避免設(shè)備的損壞，這種現(xiàn)象稱為雪崩效用。由此可見，TVS二極管適用于對(duì)靜電釋放（ESD）敏感的電路以及過(guò)壓電路，如圖1-57所示，為起到保護(hù)電路作用，單向TVS管在使用時(shí)，其極性要與電源輸入極性需相反。TVS有雙向和單向的，符號(hào)也有所不同，如圖1-58所示。

5.TVS二極管

5.TVS二極管需要注意的是，TVS二極管與穩(wěn)壓二極管有以下相同點(diǎn)：（1）符號(hào)封裝。二者的電路符號(hào)類似，封裝也差異不大，有時(shí)甚至難以分辨；（2）電路接法。二者都是反向接入電路，根據(jù)PN結(jié)的雪崩效應(yīng)，均有反向擊穿的臨界電壓，從而起到穩(wěn)壓作用。

5.TVS二極管但是二者之間又存在如下不同點(diǎn)：（1）穩(wěn)壓方式。穩(wěn)壓二極管主要是將輸入電壓固定，而TVS二極管則更注重于防止瞬間高壓對(duì)電路造成的影響。（2）響應(yīng)時(shí)間。穩(wěn)壓二極管對(duì)相應(yīng)時(shí)間無(wú)要求，更關(guān)注穩(wěn)壓值。但是TVS二極管由于需要抑制瞬時(shí)的高能量，因此要求在短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，以吸收能量，保護(hù)電路；（3）功率大小。常見的穩(wěn)壓二極管的功率大多為1W、2W等，主要由其耐熱能力決定，否則二極管會(huì)過(guò)于發(fā)燙。而TVS二極管更注重于瞬時(shí)的功率，即面對(duì)瞬間的高電壓和高電流，同樣需要高功率，但其維持的時(shí)間只需很短。

6.發(fā)光二極管發(fā)光二極管又稱為L(zhǎng)ED，最早使用氮化鎵制作了藍(lán)色LED，隨著技術(shù)的發(fā)展，白色LED也被制造出來(lái)。同樣地，LED是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而成的，N型半導(dǎo)體帶有負(fù)電子，P型則帶有正電的“空穴”。當(dāng)施加正向電壓時(shí)，電子和空穴會(huì)結(jié)合產(chǎn)生光能量，如圖1-59所示。相比將電能轉(zhuǎn)為熱能再轉(zhuǎn)為光能，LED直接將電能轉(zhuǎn)為光能，具有更高的效率。6.發(fā)光二極管根據(jù)不同的用途，可選擇燈泡型（引線型）和芯片型（表面貼裝型）的LED，如圖1-60所示。6.發(fā)光二極管目前，市場(chǎng)上有多種顏色的LED可供選擇，如圖1-61所示，其中白色LED在照明等領(lǐng)域多有應(yīng)用，其價(jià)格也較高。不同顏色LED的電路符號(hào)是相同的，如圖1-62所示。

圖1-61各種色的LED實(shí)物圖1-62LED符號(hào)6.發(fā)光二極管LED的直徑不盡相同