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  • 产品知识
  • 二极管
  • 几种常见二极管的原理及特性
  • 时间:2016年01月15日 来源:www.dowosemi.com
  •        二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode),另外,还有早期的真空电子二极管;它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一 个PN结两个引线端子,这种电子器件按照外加电压的方向,具备单向电流的转导性。一般来讲,晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结 界面。在其界面的两侧形成空间电荷层,构成自建电场。当外加电压等于零时,由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态,这也是常态下的二极管特性。

      工作原理

       晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的 扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流 I0。当外加的反向电压高到一定程度时,p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了数值很大的反向击穿 电流,称为二极管的击穿现象。p-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。

      常见的几种二极管

      稳压管、肖特基二极管、TVS管、快速恢复二极管、高频整流二极管、PIN二极管。

      稳压管

      1. 稳压二极管的定义以及作用

       稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管,其V-A特性曲线与普通二极管相似,但反向击穿曲线比较陡~稳 压二极管工作于反向击穿区,由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用,故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小,当反 向电压增高到击穿电压时,反向电流突然猛增,稳压管从而反向击穿,此后,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管两端的电压的变化却相当小,利于这一特性,稳 压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且,稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的,当去掉反向电压稳压管又恢复正常,但如果反向电流超过允许 范围,二极管将会发热击穿,所以,与其配合的电阻往往起到限流的作用。

      2. 稳压二极管的工作原理

      稳 压二极管工作原理一种用于稳定电压的单伪结二极管。它的伏安特性,电路符号如图所示。结构同整流二极管。加在稳压二极管的反向电压增加到一定数值时,将可 能有大量载流子隧穿伪结的位垒,形成大的反向电流,此时电压基本不变,称为隧道击穿。当反向电压比较高时,在位垒区内将可能产生大量载流子,受强电场作用 形成大的反向电流,而电压亦基本不变,为雪崩击穿。因此,反向电压临近击穿电压时,反向电流迅速增加,而反向电压几乎不变。这个近似不变的电压称为齐 纳 电压(隧道击穿)或雪崩电压(雪崩击穿) 。

      肖特基二极管

      肖特基二极管是以其发明人肖特基博士 (Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD)的简称。SBD不是利用P型半导体与 N型半导体接触形成PN结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势 垒二极管,它是一种热载流子二极管。

      特点

      SBD的主要优点包括两个方面:

      1)由于肖特基势垒高度低于PN结势垒高度,故其正向导通门限电压和正向压降都比PN结二极管低(约低0.2V)。

       2)由于SBD是一种多数载流子导电器件,不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。SBD的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间,完全不同于 PN结二极管的反向恢复时间。由于SBD的反向恢复电荷非常少,故开关速度非常快,开关损耗也特别小,尤其适合于高频应用。

      但是,由于SBD的反向势垒较薄,并且在其表面极易发生击穿,所以反向击穿电压比较低。由于SBD比PN结二极管更容易受热击穿,反向漏电流比PN结二极管大。

      TVS管

      1、TVS定义:

       TVS或称瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品,其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异,当TVS管两端经 受瞬间的高能量冲击时,它能以极高 的速度(最高达1*10-12秒)使其阻抗骤然降低,同时吸收一个大电流,将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能 量的冲击而损坏。 TVS的反应速度绝对比RC回路快的多10e-12s,可不用考虑TVS的击穿电压VBR,反响临界电压VWM,最大峰值脉冲电流IPP和最大嵌位电压 VC及峰值脉冲功率PP. 选择VWM等于或大于电路工作电压,VC为小于保护器件的耐压值,能测量最好(IPP),或估计出脉冲的功率,选功率较大的TVS.

      2、特性:

      TVS管有单向与双向之分,单向TVS管的特性与稳压二极管相似,双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联,其主要特性参数有:

      ①反向断态电压(截止电压)VRWM与反向漏电流IR:反向断态电压(截止电压)VRWM表示TVS管不导通的最高电压,在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。

      ②击穿电压VBR:TVS管通过规定的测试电流IT时的电压,这是表示TVS管导通的标志电压。

      ③脉冲峰值电流IPP:TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流(8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右),超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中,击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。

      ④最大箝位电压VC:TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。

      ⑤脉冲峰值功率Pm:脉冲峰值功率Pm是指10/1000μs波的脉冲峰值电流IPP与最大箝位电压VC的乘积,即Pm=IPP*VC。

      ⑥稳态功率P0:TVS管也可以作稳压二极管用,这时要使用稳态功率。

      ⑦极间电容Cj:与压敏电阻一样,TVS管的极间电容Cj也较大,且单向的比双向的大,功率越大的电容也越大。

      快速恢复二极管

       快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管, 主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。 快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,它属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。因基区很薄,反 向恢复电荷很小,所以快恢复二极管的反向恢复时间较短,正向压降较低,反向击穿电压(耐压值)较高。

      快恢复二极管FRD(Fast Recovery Diode)是近年来问世的新型半导体器件,具有开关特性好,反向恢复时间短、正向电流大、体积小、安装简便等优点。超快恢复二极管SRD (Superfast Recovery Diode),则是在快恢复二极管基础上发展而成的,其反向恢复时间trr值已接近于肖特基二极管的指标。它们可广泛用于开关电源、脉宽调制器 (PWM)、不间断电源(UPS)、交流电动机变频调速(VVVF)、高频加热等装置中,作高频、大电流的续流二极管或整流管,是极有发展前途的电力、电 子半导体器件。

      性能特点

      (1)反向恢复时间

      反向恢复时间tr的定义是:电流通过零点由正向转换 到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。反向恢复电流的波形如图1 所示。IF为正向电流,IRM为最大反向恢复电流。Irr为反向恢复电流,通常规定Irr=0.1IRM。当t≤t0时,正向电流I=IF。当t>t0 时,由于整流器件上的正向电压突然变成反向电压,因此正向电流迅速降低,在t=t1时刻,I=0。然后整流器件上流过反向电流IR,并且IR逐渐增大;在 t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正向电压的作用,反向电流逐渐减小,并在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与 电容器放电过程有相似之处。

      (2)快恢复、超快恢复二极管的结构特点

      快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同,它 是在P型、N型硅材料中间增加了基区I,构成P-I-N硅片。由于基区很薄,反向恢复电荷很小,不仅大大 减小了trr值,还降低了瞬态正向压降,使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒,正向压降约为0.6V,正向电流是 几安培至几千安培,反向峰值电压可达几百到几千伏。超快恢复二极管的反向恢复电荷进一步减小,使其trr可低至几十纳秒。

      注意事项:

      (1)有些单管,共三个引脚,中间的为空脚,一般在出厂时剪掉,但也有不剪的。

      (2)若对管中有一只管子损坏,则可作为单管使用。

       (3)测正向导通压降时,必须使用R×1档。若用R×1k档,因测试电流太小,远低于管子的正常工作电流,故测出的VF值将明显偏低。在上面例子中, 如果选择R×1k档测量,正向电阻就等于2.2kΩ,此时n′=9格。由此计算出的VF值仅0.27V,远低于正常值(0.6V)。

      高频整流二极管

      整流二极管的特性参数

      ①额定整流电流IF:在规定的使用条件下,在电阻性负载的正弦半波整流电路中,允许连续通过半导体二极管的最大工作电流。一些大电流整流二极管要求使用散热片,它的,F指的是带有规定散热片的条件下的数值。

      ②正向电压降vF:半导体整流二极管通过额定工向整流电流时,在极间产生的电压降。

      ③最大反向工作电压vR:指在使用时所允许加的最大反向电压。由于整流二极管一旦反向击穿,就会产生很大的反向电流,因此在使用中不允许超过此值。

      ④最大反向漏电流IR:半导体整流二极管在正弦波最高反同工作电压下的漏电流。

      ⑤击穿电压VR:半导体整流二极管反问为硬特性时,击穿电压为反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值;如果为软特性时,则击穿电压为给定的反向漏电流下的电压值。

      ⑥结温TJM:半导体整流二极管在规定的使用条件下,所允许的最高温度。

      整流二极管代换原则:

      ①可选择使用型号参数及原二极管型号参数基本相同二极管代换。

      ②整流电流大二极管可代换整流 电流小二极管,相反则不能代换。

      ③反向工作电压高二极管可代换反向电压低二极管,相反则不可能代换 。

      ④工作频率高二极管可代换工作频率低二极管,则不能代换。

      PIN二极管

       在两种半导体之间的PN结,或者半导体与金属之间的结的邻近区域,吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。普通的二极管由PN结组成.在P和N半导体材 料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层,组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管.正因为有本征(Intrinsic)层的存在,PIN 二极管应用很广泛,从低频到高频的应用都有,主要用在RF领域,用作RF 开关和RF保护电路,也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。

      PIN二极管作用

      PIN二极管作为转换开关,通过对直流电压信号的控制产生不同的阻抗值,从而调节天线的频率。该转换开关的功能是改变PIFA天线上两个被窄缝分割 相对独立的辐射贴片间的耦合,并通过这种耦合来改变表面电流分布。所以,当开关开启时产生较大的表面电流分布,电流路

      PIN管的主要参数

      1. 插入损耗:开关在导通时衰减不为零,称为插入损耗

      2. 隔离度:开关在断开时其衰减也非无穷大,称为隔离度

      3. 开关时间: 由于电荷的存储效应,PIN管的通断和断通都需要一个过程,这个过程所需时间

      4. 承受功率: 在给定的工作条件下,微波开关能够承受的最大输入功率

      5. 电压驻波系数: 仅反映端口输入,输出匹配情况

      6. 视频泄漏

      7. 谐波: PIN二极管也具有非线性,因而会产生谐波,PIN开关在宽带应用场合,谐波可能落在使用频带内引起干扰.

      8. 开关分类:反射式和吸收式, 吸收式开关的性能较反射式开关优良。

      设计PIN二极管时需主要考虑几个参数

      1. 插入损耗:开关在导通时衰减不为零,称为插入损耗

      2. 隔离度:开关在断开时其衰减也非无穷大,称为隔离度

      3. 开关时间: 由于电荷的存储效应,PIN管的通断和断通都需要一个过程,这个过程所需时间

      4. 承受功率: 在给定的工作条件下,微波开关能够承受的最大输入功率

      5. 电压驻波系数: 仅反映端口输入,输出匹配情况

      6. 视频泄漏

      7. 谐波: PIN二极管也具有非线性,因而会产生谐波,PIN开关在宽带应用场合,谐波可能落在使用频带内引起干扰.


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