二极管常见种类及基本原理
二极管常见种类及基本原理
- 前言
- 一、概述
- 二、普通二极管
- 三、肖特基二极管
- 四、稳压(齐纳)二极管
- 五、瞬态电压抑制二极管(TVS)
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