整流二极管工作原理.docx

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整流二极管工作原理

　　整流二极管工作原理

　　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。

　　外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。

这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。

当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管导通，电流随电压增大而迅速上升。

在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。

　　反向性

　　外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流，由于反向电流很小，二极管处于截止状态。

这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。

　　击穿

　　外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。

引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。

电击穿时二极管失去单向导电性。

如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。

因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。

　　二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。

二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

　　二极管的管压降：

硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，锗管正向管压降为0.3V，发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。

主要有三种颜色，具体压降参考值如下：

红色发光二极管的压降为2.0--2.2V，黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V，绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V，正常发光时的额定电流约为20mA。

　　二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。

　　二极管的特性曲线

　　与PN结一样，二极管具有单向导电性。

硅二极管典型伏安特性曲线（图）。

在二极管加有正向电压，当电压值较小时，电流极小;当电压超过0.6V时，电流开始按指数规律增大，通常称此为二极管的开启电压;当电压达到约0.7V时，二极管处于完全导通状态，通常称此电压为二极管的导通电压，用符号UD表示。

　　对于锗二极管，开启电压为0.2V，导通电压UD约为0.3V。

　　在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流IS。

当反向电压超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号UBR表示。

不同型号的二极管的击穿电压UBR值差别很大，从几十伏到几千伏。

　　二极管的反向击穿

　　齐纳击穿

　　反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。

在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。

如果掺杂浓度较低，势垒区宽度较宽，不容易产生齐纳击穿。

　　雪崩击穿　　另一种击穿为雪崩击穿。

当反向电压增加到较大数值时，外加电场使电子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子-空穴对。

新产生的电子-空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。

无论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成PN结永久性损坏。

　　应用

　　1、整流

　　利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。

　　2、开关　　二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关;在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。

利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

　　3、限幅　　二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。

利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

　　4、续流　　在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用。

　　5、检波　　在收音机中起检波作用。

　　6、变容　　使用于电视机的高频头中。

　　7、显示　　用于VCD、DVD、计算器等显示器上。

　　8、稳压　　稳压二极管实质上是一个面结型硅二极管，稳压二极管工作在反向击穿状态。

在二极管的制造工艺上，使它有低压击穿特性。

稳压二极管的反向击穿电压恒定，在稳压电路中串入限流电阻，使稳压管击穿后电流不超过允许值，因此击穿状态可以长期持续并不会损坏。

　　9、触发　　触发二极管又称双向触发二极管（DIAC）属三层结构，具有对称性的二端半导体器件。

常用来触发双向可控硅，在电路中作过压保护等用途。

　　工作原理

　　二极管实物　　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。

　　类型

　　二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。

根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。

按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。

点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。

由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。

面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。

平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

　　贴片二极管

　　根据构造分类

　　半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。

与PN结不可分割的点接触型和肖特基型，也被列入一般的二极管的范围内。

包括这两种型号在内，根据PN结构造面的特点，把晶体二极管分类如下：

　　点接触型二极管

　　点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。

因此，其PN结的静电容量小，适用于高频电路。

但是，与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。

因为构造简单，所以价格便宜。

对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。

　　键型二极管

　　键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的。

其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。

与点接触型相比较，虽然键型二极管的PN结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。

多作开关用，有时也被应用于检波和电源整流（不大于50mA）。

在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。

　　合金型二极管

　　在N型锗或硅的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作PN结而形成的。

正向电压降小，适于大电流整流。

因其PN结反向时静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。

　　扩散型二极管

　　在高温的P型杂质气体中，加热N型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部变成P型，以此法PN结。

因PN结正向电压降小，适用于大电流整流。

最近，使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。

　　台面型二极管

　　PN结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。

其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。

初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。

因此，又把这种台面型称为扩散台面型。

对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。

　　平面型二极管

　　在半导体单晶片（主要地是N型硅单晶片）上，扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。

因此，不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。

由于半导体表面被制作得平整，故而得名。

并且，PN结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。

最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。

对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。

　　合金扩散型二极管

　　它是合金型的一种。

合金材料是容易被扩散的材料。

把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质，就能与合金一起过扩散，以便在已经形成的PN结中获得杂质的恰当的浓度分布。

此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。

　　外延型二极管

　　用外延面长的过程制造PN结而形成的二极管。

制造时需要非常高超的技术。

因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。

　　肖特基二极管

　　基本原理是：

在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。

肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。

其耐压程度只有40V左右。

其特长是：

开关速度非常快：

反向恢复时间trr特别地短。

因此，能制作开关二极和低压大电流整流二极管。

　　根据用途分类

　　1、检波用二极管　　就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。

锗材料点接触型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为2AP型。

类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。

也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。

　　2、整流用二极管　　就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。

以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流大于100mA的叫整流。

面结型，工作频率小于KHz，最高反向电压从25伏至3000伏分A～X共22档。

分类如下：

①硅半导体整流二极管2CZ型、②硅桥式整流器QL型、③用于电视机高压硅堆工作频率近100KHz的2CLG型。

　　内部结构3、限幅用二极管　　大多数二极管能作为限幅使用。

也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。

为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。

也有这样的组件出售：

依据限制电压需要，把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。

　　4、调制用二极管　　通常指的是环形调制专用的二极管。

就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。

即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是直接作为调频用。

　　5、混频用二极管　　使用二极管混频方式时，在500～10,000Hz的频率范围内，多采用肖特基型和点接触型二极管。

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