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  • 工程師常用電子元器件專題第二彈來了,此次為大家帶來的是二極管的介紹。二極管作為電子工程師最常用的電子元器件之一,在電路中起到了至關重要的作用,也是各位工程師們日常工作中接觸十分密切的基礎元器件。這次的專題將帶大家走近這個熟悉卻又陌生的小伙伴--二極管。

    二極管的基礎介紹

    二極管,(英語:Diode),電子元件當中,一種具有兩個電極的裝置,只允許電流由單一方向流過,許多的使用是應用其整流的功能。而變容二極管(Varicap Diode)則用來當作電子式的可調電容器。大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流(Rectifying)”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過(稱為順向偏壓),反向時阻斷 (稱為逆向偏壓)。因此,二極管可以想成電子版的逆止閥。

    二極管的起源

    弗萊明實驗中的燈泡

    弗萊明 • 約翰 • 安布羅斯(Fleming John Ambrose,1849—1945),英國電氣工程師、物理學家。

    1870 年,弗萊明畢業于倫敦大學并留校任教。

    1877 年轉入劍橋大學,成為著名物理學家麥克斯韋的助手。

    1885 年,弗萊明成為劍橋大學第一位電氣工程教授。后來,他在愛迪生設在倫敦的事務所里當顧問,又同無線電的發明者、意大利發明家馬可尼合作進行研究。弗萊明在馬可尼電報公司工作時,一直在尋求一種可靠的檢波手段,1885年,“愛迪生效應”引起了他的強烈興趣,他認識到如果在真空燈泡里裝上碳絲和銅板,分別充當陰極和陽極,則燈泡里的電子就能實現單向流動,那么就可以實現一個有效檢測微弱電報信號的檢波器了。

    1904年,經過反復實驗,弗萊明于研制出一種能夠充當交流電整流和無線電檢波的特殊“燈泡”,他把它叫做“熱離子閥”,這就是世界上第一只電子管,也是人們后來所說的“真空二極管”。真空二極管的發明標志著人類進入了無線電時代。

    二極管的分類與作用

    • 檢波二極管

      檢波(也稱解調)二極管的作用是利用其單向導電性將高頻或中頻無線電信號中的低頻信號或音頻信號取出來,廣泛應用于半導體收音機、收錄機、電視機及通信等設備的小信號電路中,其工作頻率較高,處理信號幅度較弱。

      常用的國產檢波二極管有2AP系列鍺玻璃封裝二極管。常用的進口檢波二極管有1N34/A、1N60等。

    • 整流二極管

      整流二極管(rectifier diode)是一種可以將交流電能轉換為直流電能的半導體器件,具有單向導電性,通常包含一個PN結,有正、負極兩個端子,而電流只能由正極流入、負極流出。

      通常它包含一個PN結,有正極和負極兩個端子。P區的載流子是空穴,N區的載流子是電子,在P區和N區間形成一定的位壘。

    • 限幅二極管

      用來做限幅用的二極管稱為限幅二極管。所謂限幅,就是將信號的幅值限制在所需要的范圍之內。由于通常所需要限幅的電路多為高頻脈沖電路、高頻載波電路、中高頻信號放大電路、高頻調制電路等,故要求限幅二極管具有較陡直的U-I特性,使之具有良好的開關性能。

    • 調制二極管

      通常指的是環形調制專用的二極管。就是正向特性一致性好的四個二極管的組合件。即使其它變容二極管也有調制用途,但它們通常是直接作為調頻用。

    • 開關二極管

      開關二極管是半導體二極管的一種,是為在電路上進行"開"、"關"而特殊設計制造的一類二極管。它由導通變為截止或由截止變為導通所需的時間比一般二極管短,常見的有2AK、2DK等系列,主要用于電子計算機、脈沖和開關電路中。

    • 變容二極管

      用于自動頻率控制(AFC)和調諧用的小功率二極管稱變容二極管。日本廠商方面也有其它許多叫法。通過施加反向電壓,使其PN結的靜電容量發生變化。因此,被使用于自動頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等用途。

    • 穩壓二極管

      穩壓二極管,英文名稱Zener diode,又叫齊納二極管。利用pn結反向擊穿狀態,其電流可在很大范圍內變化而電壓基本不變的現象,制成的起穩壓作用的二極管。,穩壓二極管是根據擊穿電壓來分檔的,因為這種特性,穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。穩壓二極管可以串聯起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯就可獲得更高的穩定電壓。

    • PIN型二極管

      普通的二極管由PN結組成。在P和N半導體材料之間加入一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導體層,組成的這種P-I-N結構的二極管就是PIN 二極管。正因為有本征(Intrinsic)層的存在,PIN 二極管應用很廣泛,從低頻到高頻的應用都有,主要用在RF領域,用作RF 開關和RF保護電路,也有用作光電二極管(PhotoDiode)。PIN 二極管包括PIN光電二極管和PIN開關二極管。

    • 發光二極管

      發光二極管是半導體二極管的一種,可以把電能轉化成光能。發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成,也具有單向導電性。當給發光二極管加上正向電壓后,從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子,在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合,產生自發輻射的熒光。

    • 雪崩二極管

      它是在外加電壓作用下可以產生高頻振蕩的晶體管。產生高頻振蕩的工作原理是欒的:利用雪崩擊穿對晶體注入載流子,因載流子渡越晶片需要一定的時間,所以其電流滯后于電壓,出現延遲時間,若適當地控制渡越時間,那么,在電流和電壓關系上就會出現負阻效應,從而產生高頻振蕩。它常被應用于微波領域的振蕩電路中。

    • 肖特基二極管

      肖特基二極管是以其發明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基勢壘二極管(SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD)的簡稱。SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結原理制作的,而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬-半導體結原理制作的。因此,SBD也稱為金屬-半導體(接觸)二極管或表面勢壘二極管,它是一種熱載流子二極管。

    • 阻尼二極管

      阻尼二極管多用在高頻電壓電路中,具有較高的反向工作電壓和峰值電流,正向壓降小,高頻高壓整流二極管,用在電視機行掃描電路作阻尼和升壓整流用。常用的阻尼二極管有2CN1、2CN2、BSBS44等。

    二極管的結構與基礎工作原理

    當不存在外加電壓時,由于pn結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。

    晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的pn結,在其界面處兩側形成空間電荷層,并建有自建電場。

    當外界有正向電壓偏置時,外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時,外界電場和自建電場進一步加強,形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。

    當外加的反向電壓高到一定程度時,pn結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程,產生大量電子空穴對,產生了數值很大的反向擊穿電流,稱為二極管的擊穿現象。

    二極管的四大特性

    正向特性

    當加在二極管兩端的正向電壓(P為正、N為負)很小時(鍺管小于0.1伏,硅管小于0.5伏),管子不導通,處于“截止”狀態,當正向電壓超過一定數值后,管子才導通,電壓再稍微增大,電流急劇暗加(見曲線I段)。不同材料的二極管,起始電壓不同,硅管為0.5-.7伏左右,鍺管為0.1-0.3左右。

    反向特性

    二極管兩端加上反向電壓時,反向電流很小,當反向電壓逐漸增加時,反向電流基本保持不變,這時的電流稱為反向飽和電流(見曲線II段)。不同材料的二極管,反向電流大小不同,硅管約為1微安到幾十微安,鍺管則可高達數百微安,另外,反向電流受溫度變化的影響很大,鍺管的穩定性比硅管差。

    擊穿特性

    當反向電壓增加到某一數值時,反向電流急劇增大,這種現象稱為反向擊穿(見曲線III)。這時的反向電壓稱為反向擊穿電壓,不同結構、工藝和材料制成的管子,其反向擊穿電壓值差異很大,可由1伏到幾百伏,甚至高達數千伏。

    頻率特性

    由于結電容的存在,當頻率高到某一程度時,容抗小到使PN結短路。導致二極管失去單向導電性,不能工作,PN結面積越大,結電容也越大,越不能在高頻情況下工作。

    二極管的命名方法

    國產半導體器件的命名方法

    二極管的型號命名通常根據國家標準 GB_249 — 74 規定,由五部分組成。
    第一部分:用數字表示器件電極的數目。
    第二部分:用漢語拼音字母表示器件材料和極性。
    第三部分:用漢語拼音字母表示器件的類型。
    第四部分:用數字表示器件序號。
    第五部分:用漢語拼音字母表示規格號。

    日本半導體器件的命名方法

    日本半導體器件命名型號由五部分組成。
    第一部分:用數字表示半導體器件有效數目和類型。 1 表示二極管, 2 表示三極管。
    第二部分:用 S 表示已在日本電子工業協會登記的半導體器件。
    第三部分:用字母表示該器件使用材料、極性和類型。
    第四部分:表示該器件在日本電子工業協會的登記號。
    第五部分:表示同一型號的改進型產品。

    美國半導體器件的命名方法

    美國電子工業協會半導體分立器件命名型號由五部分組成。
    第一部分為前綴。
    第二部分、第三部分、第四部分為型號基本部分。
    第五部分為后綴

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