单向导通的魔法：从 PN 结到电路保护，一文掌握二极管

二极管是电子电路中最基础、最核心的半导体器件之一。它虽然只有两个引脚，但几乎出现在所有的电子设备中。下面从原理、结构、特性、分类、应用、选型和常见故障等方面，对它做一个比较全面的介绍。

一、什么是二极管

二极管是由一个 PN 结 加上引出线和封装构成的半导体器件。它的最基本特性是：

单向导电性：电流只能从阳极（正极）流向阴极（负极），反向则几乎不导通。

二极管在电路图中的符号是一个三角形指向一条竖线：

阳极 A ——|▶|—— 阴极 K
三角 竖线

• 阳极（Anode）：对应 P 区，电流从这一端流入。

• 阴极（Cathode）：对应 N 区，电流从这一端流出。

• 电流方向与符号中三角箭头方向一致。

二、PN 结与工作原理

1. P 型半导体与 N 型半导体

• P 型半导体：掺入三价元素，如硼，形成大量空穴，空穴带正电，是多数载流子。

• N 型半导体：掺入五价元素，如磷，形成大量自由电子，电子带负电，是多数载流子。

2. PN 结的形成

把 P 型半导体和 N 型半导体做在同一块硅片或锗片上，在交界面附近：

• P 区的空穴向 N 区扩散；

• N 区的电子向 P 区扩散；

• 扩散后，交界处留下不能移动的正负离子，形成 空间电荷区，也叫 耗尽层；

• 这个区域内部产生一个由 N 指向 P 的 内建电场，阻止多数载流子继续扩散。

最终达到动态平衡，形成 PN 结。

3. 正向偏置与反向偏置

正向偏置

• P 区接电源正极，N 区接电源负极；

• 外电场方向与内建电场方向相反，削弱内建电场；

• 耗尽层变窄；

• 当外加电压超过“门槛电压”后，多数载流子可以大量越过 PN 结，形成较大正向电流；

• 二极管导通。

反向偏置

• P 区接电源负极，N 区接电源正极；

• 外电场与内建电场方向相同，增强内建电场；

• 耗尽层变宽；

• 多数载流子难以越过 PN 结，只有极少数少子形成反向漏电流；

• 二极管截止。

三、二极管的伏安特性曲线

二极管的电压与电流关系是非线性的，通常分为四个区域：

1. 正向特性区

• 当正向电压较小，低于 死区电压 时，正向电流很小，几乎为零；

• 硅二极管死区电压约为 0.5 V，锗二极管约为 0.1～0.2 V；

• 电压超过死区电压后，电流迅速增大；

• 正常导通时，硅管正向压降约为 0.6～0.7 V，锗管约为 0.2～0.3 V；

• 导通后正向压降随电流变化不大，因此二极管正向具有“稳压”特性。

2. 反向截止区

• 加反向电压时，只有很小的反向漏电流；

• 硅管反向漏电流通常为纳安到微安级；

• 锗管反向漏电流较大，可达微安到毫安级；

• 该区域二极管基本不导通。

3. 反向击穿区

• 当反向电压增大到一定值时，反向电流突然急剧增大；

• 这个电压称为 反向击穿电压；

• 击穿分为两种：

  • 齐纳击穿：发生在低反向电压下，通常低于 5～6 V，电场很强，直接把共价键中的电子拉出；

  • 雪崩击穿：发生在较高反向电压下，载流子被电场加速后碰撞电离，产生倍增效应；

• 普通二极管发生反向击穿后如果电流过大，会永久损坏；

• 稳压二极管正是利用反向击穿区工作的，但需要串联限流电阻。

4. 反向恢复区

• 二极管从正向导通突然转为反向截止时，不能立即关断；

• 存储电荷需要一定时间才能清除；

• 这段时间称为 反向恢复时间，对高频和开关电路非常重要。

四、二极管的主要参数

选择二极管时，需要关注以下关键参数：

五、二极管的主要类型

二极管种类繁多，按材料、结构、用途可以分为很多种。

1. 按材料分类

硅二极管

• 最常见；

• 正向压降约 0.6～0.7 V；

• 反向漏电流小；

• 工作温度范围宽，通常 -55 ℃～+150 ℃；

• 广泛用于整流、开关、保护等。

锗二极管

• 正向压降低，约 0.2～0.3 V；

• 反向漏电流较大；

• 温度稳定性差；

• 曾经用于检波、小信号整流，现在用得较少。

砷化镓、碳化硅等化合物半导体二极管

• 用于高频、高温、高压等特殊场合；

• 碳化硅肖特基二极管耐压高、开关速度快、反向恢复几乎为零。

2. 按结构分类

点接触型二极管

• PN 结面积小；

• 结电容小；

• 适合高频检波、小电流整流；

• 例如早期的锗检波二极管。

面接触型二极管

• PN 结面积大；

• 允许通过较大电流；

• 结电容较大；

• 适合低频整流、大功率场合。

平面型二极管

• 采用平面工艺制造；

• 性能稳定，一致性好；

• 广泛用于集成电路和分立器件。

3. 按功能用途分类

这是实际工程中最常用的分类方式。

① 整流二极管

• 将交流电变为直流电；

• 要求正向电流大、反向耐压高；

• 常见型号：1N4001～1N4007、1N5400 系列；

• 1N4007 的反向耐压可达 1000 V，正向电流 1 A；

• 工作频率较低，通常用于工频整流。

② 快恢复二极管

• 反向恢复时间很短，通常在几十到几百纳秒；

• 用于开关电源、逆变器、高频整流；

• 常见型号：FR107、FR207、UF4007、MUR 系列。

③ 超快恢复二极管

• 反向恢复时间可低至几十纳秒甚至更低；

• 用于高频开关电源输出整流；

• 例如 MUR820、STTH 系列。

④ 肖特基二极管

• 不是普通 PN 结，而是金属与半导体接触形成的势垒；

• 正向压降低，通常 0.2～0.5 V；

• 开关速度极快，反向恢复时间几乎为零；

• 缺点：反向耐压较低，通常低于 200 V，反向漏电流较大；

• 常用于低压高频整流、续流、防反接保护；

• 常见型号：1N5819、SS14、SS34、MBR 系列。

⑤ 稳压二极管，又称齐纳二极管

• 工作在反向击穿区；

• 在规定的电流范围内，两端电压基本保持恒定；

• 稳压值从 2 V 到 200 V 不等；

• 必须串联限流电阻；

• 常用于基准电压、过压保护、电平移动；

• 常见型号：1N4728～1N4764、BZX55 系列、MMSZ 系列。

⑥ 变容二极管

• 利用 PN 结反偏时结电容随反向电压变化的特性；

• 反偏电压越大，结电容越小；

• 用于压控振荡器、调谐电路、频率调制；

• 常见型号：BB910、1SV149、MV209 等。

⑦ 发光二极管，即 LED

• 正向导通时电子与空穴复合，释放能量，发出光子；

• 发光颜色由半导体材料和掺杂决定；

• 工作电压因颜色而异：

  • 红色：约 1.8～2.2 V

  • 绿色：约 2.0～3.0 V

  • 蓝色、白色：约 3.0～3.6 V

• 需要串联限流电阻，防止电流过大；

• 广泛用于指示、照明、显示、通信。

⑧ 光电二极管

• 工作在反向偏置；

• 光照会激发电子-空穴对，使反向电流增大；

• 用于光检测、光通信、照度测量；

• 常见型号：BPW34、SFH 系列。

⑨ 激光二极管

• 结构类似发光二极管，但有光学谐振腔；

• 发出相干光；

• 用于光纤通信、激光笔、光驱、激光测距。

⑩ TVS 二极管，即瞬态电压抑制二极管

• 专门用于吸收浪涌电压、静电放电等瞬态过压；

• 响应速度极快，可达皮秒级；

• 钳位电压低，保护后级电路；

• 常用于 USB、HDMI、电源接口等；

• 常见型号：SMBJ 系列、P6KE 系列、ESD 专用二极管。

⑪ 隧道二极管

• 利用量子隧道效应，具有负阻特性；

• 用于超高频振荡、微波放大；

• 现在使用较少。

⑫ 恒流二极管

• 在较宽电压范围内提供近似恒定电流；

• 用于 LED 驱动、恒流源。

⑬ 气体放电二极管、真空二极管

• 早期电子管时代的二极管；

• 现在几乎被半导体二极管取代。

六、二极管的典型应用电路

1. 整流电路

半波整流

• 一个二极管；

• 只利用交流电的正半周或负半周；

• 效率低，输出电压脉动大。

全波整流

• 需要带中心抽头的变压器和两个二极管；

• 正负半周都被利用。

桥式整流

• 四个二极管组成整流桥；

• 不需要中心抽头；

• 是最常用的整流方式；

• 集成整流桥有四个引脚：两个交流输入，一个正输出，一个负输出。

2. 续流二极管

• 并联在继电器、电磁铁、电机等感性负载两端；

• 当开关关断时，电感会产生反向感应电动势；

• 续流二极管为电感电流提供回路，抑制高压尖峰；

• 保护开关管或驱动电路；

• 常用 1N4007、肖特基二极管。

3. 钳位电路

• 将信号某一点的电平固定到指定值；

• 例如 TVS 二极管将电压钳制在安全范围；

• 也可用于波形平移。

4. 限幅电路

• 两个反向并联的二极管可以将信号幅度限制在 ±0.7 V 左右；

• 用于输入保护、波形整形。

5. 检波电路

• 从调幅波中提取音频信号；

• 使用点接触锗二极管或肖特基二极管；

• 常见于收音机、通信接收机。

6. 稳压电路

• 稳压二极管与限流电阻配合，提供简单稳压输出；

• 输出电压等于稳压管稳压值；

• 适合小电流、对精度要求不高的场合。

7. 防反接保护

• 电源输入串联二极管；

• 电源接反时二极管截止，保护后级电路；

• 缺点是正向有压降，会损失功率；

• 大电流场合可用 MOSFET 代替。

8. 逻辑门

• 二极管与电阻可以组成简单的与门、或门；

• 例如两个二极管组成与门，只有两个输入都为高电平时输出才为高；

• 现在主要用于教学或简单逻辑。

9. 温度补偿

• 二极管正向压降具有负温度系数，约 -2 mV/℃；

• 可用于温度测量或温度补偿电路。

10. 倍压整流

• 多个二极管和电容组成倍压电路；

• 例如二倍压、三倍压；

• 用于需要高压小电流的场合，如示波器高压、静电除尘。

七、二极管的正向压降与温度特性

正向压降

• 硅管约 0.6～0.7 V；

• 锗管约 0.2～0.3 V；

• 肖特基约 0.2～0.5 V；

• 发光二极管约 1.8～3.6 V，视颜色而定。

温度特性

• 正向压降随温度升高而减小，温度系数约为 -1.5 mV/℃～-2.5 mV/℃；

• 反向漏电流随温度升高而增大，温度每升高 10 ℃，漏电流约增大一倍；

• 反向击穿电压随温度升高而增大，对稳压二极管而言，不同稳压值的温度系数不同。

八、二极管的封装与识别

常见封装形式

• DO-41：普通轴向引线封装，如 1N4007；

• DO-15、DO-201：较大功率轴向封装，如 1N5408；

• SMA、SMB、SMC：贴片封装，分别对应不同功率；

• SOD-123、SOD-323：小信号贴片二极管；

• TO-220、TO-247：大功率二极管或整流桥；

• DIP、SOP 整流桥：集成整流桥；

• LED 封装：3 mm、5 mm 直插，以及 0603、0805、3014、5050 等贴片。

引脚识别

• 轴向二极管：带有色环的一端通常是阴极；

• 贴片二极管：有横线或色带的一端通常是阴极；

• 发光二极管：长脚为正极，短脚为负极；内部较大电极片通常是负极；

• 可用万用表二极管挡测量，正向导通时显示约 0.5～0.7 V，表笔红接阳极，黑接阴极。

九、二极管的检测与好坏判断

使用数字万用表二极管挡

• 红表笔接阳极，黑表笔接阴极：

  • 硅管显示 0.5～0.7 V；

  • 锗管显示 0.2～0.3 V；

  • 肖特基显示 0.2～0.5 V；

• 表笔反过来：

  • 正常应显示“OL”或无穷大；

• 若正反向都导通，说明短路；

• 若正反向都截止，说明开路。

使用指针万用表

• 注意指针万用表电阻挡的红黑表笔极性与数字万用表相反；

• 黑表笔接阳极，红表笔接阴极时，二极管正向导通。

十、二极管选型要点

在实际电路设计中，选择二极管需要综合考虑：

十一、常见故障与原因

1. 短路

• 反向电压过高，发生击穿；

• 浪涌电流过大，烧毁 PN 结；

• 过热导致失效。

2. 开路

• 长时间过流，内部引线熔断；

• 机械应力导致引脚断裂；

• 焊接过热损坏。

3. 漏电流增大

• 高温工作环境；

• 反向电压接近极限；

• 元件老化。

4. 正向压降升高

• 内部接触电阻增大；

• 过热损伤。

十二、二极管的发展与新技术

二极管从早期的电子管、矿石检波器，发展到今天的半导体二极管，已经有上百年历史。

• 1904 年：弗莱明发明真空二极管；

• 20 世纪 40 年代：点接触锗二极管出现；

• 20 世纪 50 年代：硅二极管成熟，性能大幅提升；

• 20 世纪 60 年代：发光二极管问世；

• 20 世纪 70 年代后：肖特基、快恢复、变容、激光二极管等不断出现；

• 近年：碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体二极管在高频、高压、高温领域得到广泛应用。

现代二极管继续朝着 高频、大功率、低损耗、集成化、小型化 方向发展。

总结

二极管虽然结构简单，但种类繁多、应用广泛。它的核心是 PN 结的单向导电性，而不同的材料、结构和工艺又使其具有整流、稳压、发光、光电转换、高速开关、瞬态保护等多种功能。掌握二极管的伏安特性、主要参数和典型应用，是学习电子技术的基础，也是分析和设计电路的基本功。