硬件基础（5）：（1）二极管初步认识

一、定义及基本特性

二极管（Diode）是一种具有单向导电特性的电子元器件，由一个PN结组成，它允许电流从正极（阳极，Anode）流向负极（阴极，Cathode），而反向则阻断电流。

• 结构组成：通常由P型半导体和N型半导体形成PN结结构。
  
  ​ N区：四价硅晶体掺入五价元素形成N型半导体，自由电子是多子，多子带负电；

​ P区：四价硅晶体参入三价元素形成P型半导体，空穴是多子，空穴带正电。

​ PN结是电子技术中许多元件，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。

• PN结形成过程

​ N区自由电子向P区扩散，P区空穴向N区扩散，在中间形成电场，内电场阻碍扩散运动，同时少子进行漂移运动，无外电场作用下，参与扩散的多子数目等于少子数目，达到动态平衡，形成PN结。

• 符号表示
  

  ​ 将PN结用外壳封装起来，并在两侧加上电极引线构成二极管。

  ​ P区引出：阳极、正极

  ​ N区引出：阴极、负极

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二、工作原理

二极管工作原理基于PN结特性：

• 正向偏置： 当外加电压使P型区接高电势，N型区接低电势时，PN结导通（导通电压约为硅管0.6～0.7V，锗管0.2～0.3V）。
• 反向偏置： 当外加电压使N型区电势高于P型区时，二极管呈现高阻态（几乎不导通，只有微弱的漏电流）。
• 伏安特性曲线
  

​ Uon：正向开启电压

​ Ubr：反向击穿电压

​ Is：反向电流

​ U：加在PN结两侧的外部电压

分析：

加正向电压		加反向电压
U>Uon	PN结导通，正向电流随加在PN结两侧的电压呈指数增长	|U|>|Ubr|	反向电流急剧增加，称之为反向击穿，此原理制成稳压管，TVS管
U<Uon	PN结截止，正向电流为0	|U|<|Ubr|	PN结截止，反向电流很小，常忽略不计

PN结导通时的结压降通常只有零点几伏，而导通电流（正向电流）随外加电压的增大呈指数增长，应用时，需要串联电阻等元器件限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

根据PN结外加电压的不同，PN结有不同的状态：截止、导通、击穿。

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三、重要参数说明

参数	含义及说明
正向导通电压（VF）	正向导通时，两端压降，硅管约0.6~0.7V
反向击穿电压（VR）	反向施加电压超过此值时二极管将击穿损坏
最大整流电流（IF）	二极管长期稳定导通允许的最大电流
峰值反向电压（VRM）	二极管能承受的瞬间最大反向电压
最大功耗（Pmax）	二极管能承受的最大功率
反向漏电流（IR）	反向偏置状态下流过二极管的微弱电流，通常非常小
恢复时间（trr）	从正向导通转换到反向截止时，PN结复原到阻断态的时间

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四、二极管的分类

类型	特点及用途	选型依据	参考博客
整流二极管	频率低，电流大，用于交流电整流，耐高压	正向电流、正向压降、功耗、反向最大电流、反向恢复时间、封装	写完更新
快恢复二极管	频率高、电流小，用于高频整流及开关电源		写完更新
肖特基二极管	优点：导通压降低（低至0.2V，电流越大，压降就越大），开关速度非常快，用于开关电源、保护电路 缺点：反向击穿电压低，反向漏电流偏大（温度越高，漏电流越大）		写完更新
稳压二极管	在反向击穿区稳定电压，常用于电压稳定电路	稳压值、反向电流（实际应用不可超过该值，需串联电阻限流）	写完更新
发光二极管LED	电流通过时发出光线，用于指示、照明		写完更新
TVS二极管	抑制瞬态电压（ESD静电、浪涌电压）	Vrmw（反向关闭电压） Bbr（反向击穿电压） Ipp：峰值脉冲电流 单向、双向 最大功耗 封装	写完更新
光敏二极管	受光照后产生光生电流，用于光电传感器		写完更新

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五、二极管的应用领域

• 整流电路：将交流电（AC）转化为直流电（DC）。
• 电压保护：如肖特基二极管或TVS二极管防止浪涌。
• 信号检波：用于无线电信号、音频检波电路中。
• 稳压电路：稳压二极管（齐纳管）用于精确电压调节。
• 开关电路：二极管开关电路，如续流二极管保护开关元件。
• 光电器件：LED灯、光电探测器。
• 限幅与钳位电路：用于信号保护及电压幅度限定。

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六、二极管的选型要点

• 额定电流： 根据负载电流选择合适的最大正向电流IF。
• 额定电压： 二极管的额定反向电压VR必须高于实际应用中的峰值电压。
• 速度要求： 高频开关电路应选择快恢复或肖特基二极管。
• 散热考虑： 二极管工作时产生热量，应根据功率选择封装及散热方案。
• 耐压裕度： 实际应用中需给反向电压留有裕度（建议1.5～2倍）。

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七、二极管的检测方法

• 万用表测量法： 使用万用表的二极管档测量正向导通电压（正常0.5~0.8V），反向不通。
• 观察外观： 外观无破损，未烧焦或有裂纹。
• 性能测试仪： 专业测试设备对二极管参数（VF、IR）精确检测。

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八、注意事项及常见故障

• 注意事项：
  • 反向电压超过最大值将引起二极管永久性损坏。
  • 正向电流不能超过最大额定电流。
  • 正确安装方向（注意阳极阴极标识）。
• 常见故障现象：
  • 二极管短路（通电后无压降，正反向导通）。
  • 二极管开路（正向不导通）。
  • 漏电流增大（反向阻抗下降）。