二极管常见种类及基本原理

前言

• 写博客只为记录本人的学习历程以及供自己和有需要的朋友们参考，其中若有错误希望大家多多包涵，往后也会持续更新电子行业的各种知识，希望大家一起进步！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

一、概述

• 二极管是电子电路中最基础且应用广泛的半导体器件之一，其核心特性是单向导电性—— 允许电流从一个方向流过，而阻止电流从相反方向流过
• 二极管由由P型半导体（含过剩空穴）和N型半导体（含过剩电子）通过特殊工艺结合而成，两者的交界面形成PN结，并引出两个电极：阳极P和阴极N
• 其中按照材料分类：硅二极管和锗二极管
• 其中按照用途分类：可以分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管等等，下面重点介绍各种类型的二极管

二、普通二极管

• 普通二级管的符号如下所示，电流从左向右流动，具有单向导电性

• 硅二极管：导通电压约 0.7V，反向漏电流小，耐高温（工作温度可达 150℃以上），常用于整流、开关电路
• 锗二极管：导通电压约 0.3V，反向漏电流较大，耐高温性差（约 75℃），常用于低电压检测电路

三、肖特基二极管

• 下图为肖特基二极管的电路符号，左阳右阴

• 与普通二极管不同，肖特基二极管是由N型半导体和金属接触制成，交界面形成肖特基结
• 给肖特基二极管施加正向电压时，空间电荷区变窄，N型半导体的电子会穿过电荷区进入到金属，从而形成正向电流
• 当施加反向电压时，空间电荷区变宽，电子无法通过空间电荷区，此时肖特基二极管处于截止状态
• 由于肖特基二极管的空间电荷区比较窄，所以正向导通压降比普通二极管要小，例如SS14在1A电流导通压降只有0.5V左右，1N4007在1A电流下导通压降在0.9V左右

所以在一些低电压电源串接电路中我们更倾向于用肖特基二极管，以获得更小的导通压降和流过最大的电流

• 肖特基二极管的反向耐压一般在100V以下，比普通硅二极管耐压要低不少
• 同时肖特基二极管的反向恢复时间在10ns，常规二极管通常是2000ns，所以肖特基的开关速度更快

所以总结肖特基二极管的特点就是：反向恢复时间极短，正向导通压降低

四、稳压(齐纳)二极管

• 稳压二极管的原理图符号如下所示，两种均表示稳压二极管

• 稳压二极管作用就是稳压，利用的原理是齐纳击穿，当稳压二极管发生齐纳击穿后，虽然反向电压很大，只要电流变化范围内，二极管两端的电压可以稳定在击穿电压的附近
• 稳压二极管的电流小于最小稳定工作电流(使得稳压二极管击穿的最小电流)时，稳压二极管是截止的，不工作，所以一般情况下稳压二极管的电压大于击穿电压时，才会正常工作，使得两端电压保持几乎不变
• 如下图所示，图中稳压二极管是一个6V稳压，12V的输入电压击穿稳压二极管，所以Ua=6V，那IR1就是3A(KVL)，那IR2就是1A，所以流过稳压二极管的电流就是2A；
• 当R2由6Ω变成3Ω时，此时Ua由于稳压二极管还是6V，所以IR1依旧是3A，但IR2变成2A，即稳压二极管的电流变成了1A

• 所以不管R2是3Ω还是6Ω，其两端电压均是6V，当把R2看作一个负载时，就可以认为稳压二极管将12V的电压稳定在了6V左右，其中限流电阻R1必须要存在，否则会导致稳压二极管电流较大，损坏；同时负载的电阻不能小于1欧姆，这是由于R1的电流也是3A，负载也是3A，导致稳压二极管的电流为一个不可能的情况

五、瞬态电压抑制二极管(TVS)

• TVS管是在稳压管的基础上发展起来的新产品，是一种新型的高效电路保护器件之一，用来抑制ESD(静电放电)，具有p秒级别的响应时间和高浪涌吸收能力
• TVS分为单向和双向，原理图符号如下所示，和稳压二极管类似，但TVS的工作原理是雪崩击穿

• 单向TVS管同样也是工作在反向击穿的状态下，通常与保护电路并联，原理基本相似，但与稳压二级管不同的是，稳压二极管是需要工作在反向击穿状态下，而TVS工作在反向击穿时，主要是用来预防涌浪，将电压钳位在安全电压范围之内，其中空闲是截止不工作的，即电路正常工作时，TVS被视为开路
• 同时TVS管的响应速度也要更快，基本在ns和ps级别的；同时TVS管的通流能力要远大于稳压管，所以TVS管可以通过几百A的浪涌，而稳压管要是电流过大，会损坏
• TVS管在PCB走线时，应该尽可能的保持低阻抗，这就需要使用短而粗的走线，同时被保护的器件需要远离TVS管，要远大于TVS到接插件的距离，另一个引脚需要短走线过孔接地

• 单向和双向TVS都可以对正、负两个极性的瞬态电压进行保护
• 单向TVS对于正脉冲攻击时，将之钳位于钳位电压Vclamp上；当负极性脉冲攻击时，这时候其实TVS处于导通状态下，将之钳位在负的导通压降值，就是其电压是-Vf，因为参考点是GND，所以为负电压

• 对于双向TVS，同样对于正脉冲攻击，将之钳位在钳位电压Vclamp+导通压降Vf；对于负脉冲攻击，将之钳位在-（钳位电压Vclamp+导通压降Vf）

• 所以在电路设计中，当存在负电压电源或者信号的情况下，由于单向TVS的负向钳位太小，可能会将电压误钳位在很小的电压，导致无法正常工作，所以需要使用双向TVS，这个选型是针对电路正常工作的负电压来选择的，并不是因为需要限制ESD