二极管的作用-二极管的作用、工作原理、特性、开关过程详解

二极管概述

二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)的(de)作(zuo)用，二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)，电(dian)(dian)子元件当中，一(yi)(yi)种具(ju)(ju)有两个电(dian)(dian)极(ji)(ji)的(de)装置，只允许电(dian)(dian)流由单一(yi)(yi)方向(xiang)(xiang)流过，许多的(de)使用是(shi)应用其整(zheng)流的(de)功能(neng)。而变容二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)（Varicap Diode）则用来(lai)当作(zuo)电(dian)(dian)子式的(de)可(ke)调电(dian)(dian)容器(qi)。大(da)部分(fen)二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)所具(ju)(ju)备的(de)电(dian)(dian)流方向(xiang)(xiang)性我们通常称之为(wei)“整(zheng)流（Rectifying）”功能(neng)。二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)最普遍的(de)功能(neng)就(jiu)是(shi)只允许电(dian)(dian)流由单一(yi)(yi)方向(xiang)(xiang)通过（称为(wei)顺向(xiang)(xiang)偏压），反(fan)向(xiang)(xiang)时阻断 （称为(wei)逆(ni)向(xiang)(xiang)偏压）。因此，二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)可(ke)以想成(cheng)电(dian)(dian)子版的(de)逆(ni)止阀。

早期的(de)真空电子二(er)极(ji)管(guan)；它是(shi)一(yi)种能(neng)够(gou)单(dan)向(xiang)传导电流的(de)电子器件(jian)。在(zai)半导体(ti)二(er)极(ji)管(guan)内部有一(yi)个PN结两个引线端子，这种电子器件(jian)按照外加电压的(de)方向(xiang)，具(ju)备单(dan)向(xiang)电流的(de)传导性。一(yi)般来讲(jiang)，晶(jing)体(ti)二(er)极(ji)管(guan)是(shi)一(yi)个由(you)p型半导体(ti)和n型半导体(ti)烧结形成(cheng)的(de)p-n结界面。在(zai)其(qi)界

面的(de)两侧(ce)形成空间电(dian)荷层(ceng)，构(gou)成自(zi)建(jian)电(dian)场。当外(wai)加电(dian)压等(deng)于零时，由于p-n 结两边载流(liu)(liu)子的(de)浓度差引(yin)起(qi)扩散电(dian)流(liu)(liu)和由自(zi)建(jian)电(dian)场引(yin)起(qi)的(de)漂移电(dian)流(liu)(liu)相等(deng)而(er)处于电(dian)平衡(heng)状态(tai)(tai)，这也是常态(tai)(tai)下的(de)二极(ji)管(guan)特性(xing)。

早期的二(er)极(ji)管包含“猫须(xu)晶体（"Cat's Whisker" Crystals）”以及(ji)真空管(英(ying)国称为“热游离阀（Thermionic Valves）”)。现今最普(pu)遍的二(er)极(ji)管大多是使用(yong)半导体材料如硅或锗(zhe)。

二极管的工作原理

晶体(ti)二极管为一个由p型(xing)半导体(ti)和(he)n型(xing)半导体(ti)形(xing)成的(de)p-n结，在其界(jie)面(mian)处(chu)(chu)两侧形(xing)成空(kong)间(jian)电荷层，并建有自(zi)建电场。当不存在外加电压时(shi)，由于(yu)p-n 结两边载(zai)流子(zi)浓度差引起的(de)扩散电流和(he)自(zi)建电场引起的(de)漂(piao)移(yi)电流相等而处(chu)(chu)于(yu)电平(ping)衡(heng)状(zhuang)态。

当外界有正向(xiang)电(dian)压偏置时(shi)，外界电(dian)场和自(zi)建电(dian)场的互相抑(yi)消作用使载流子的扩散电(dian)流增加引起了(le)正向(xiang)电(dian)流。

当(dang)外(wai)(wai)界(jie)有反向电(dian)压偏(pian)置(zhi)时，外(wai)(wai)界(jie)电(dian)场(chang)(chang)和(he)自(zi)建电(dian)场(chang)(chang)进一步加强，形成在一定反向电(dian)压范围内与反向偏(pian)置(zhi)电(dian)压值(zhi)无关的反向饱和(he)电(dian)流I0。

当外加(jia)的反向(xiang)电(dian)压高到一定程度时(shi)，p-n结空间电(dian)荷层(ceng)中的电(dian)场强(qiang)度达(da)到临界值(zhi)产(chan)生载(zai)流(liu)子的倍增过程，产(chan)生大量电(dian)子空穴对，产(chan)生了(le)数值(zhi)很大的反向(xiang)击穿(chuan)电(dian)流(liu)，称(cheng)为二极管的击穿(chuan)现象(xiang)。

二极管的作用

二极管的(de)作用具体情况如下：

1、整流二极管

利用二(er)极管单(dan)向导电性，可(ke)以(yi)把方(fang)向交替变化的(de)交流电变换(huan)成单(dan)一方(fang)向的(de)脉动直流电。

2、开关元件

二极管(guan)在(zai)正向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)压作(zuo)用下电(dian)(dian)阻很小，处(chu)于(yu)导通状(zhuang)态，相当于(yu)一(yi)只接通的(de)开关(guan)；在(zai)反(fan)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)压作(zuo)用下，电(dian)(dian)阻很大，处(chu)于(yu)截止状(zhuang)态，如(ru)同一(yi)只断(duan)开的(de)开关(guan)。利用二极管(guan)的(de)开关(guan)特性，可以组(zu)成各种(zhong)逻辑电(dian)(dian)路。

3、限幅元件

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持(chi)不变(bian)（硅(gui)管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一(yi)特性(xing)，在(zai)电路中作为限(xian)幅元件(jian)，可(ke)以把信号幅度限(xian)制(zhi)在(zai)一(yi)定范围内。

4、继流二极管

在开关电源的电感(gan)中(zhong)和继电器等感(gan)性(xing)负载(zai)中(zhong)起继流作用(yong)。

5、检波二极管

在收(shou)音机(ji)中起检(jian)波作用。

6、变容二极管

使用于(yu)电视机(ji)的高频(pin)头中。

续流二极管的作用与特性

续(xu)流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)极管的作(zuo)(zuo)用如下：快恢复二(er)(er)(er)极管主要用作(zuo)(zuo)续(xu)流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)极管，与快速(su)开关三极管并联后面带感(gan)性负载(zai)，如Buck，Boost变换器(qi)(qi)的电(dian)感(gan)、变压器(qi)(qi)和(he)电(dian)机，这些电(dian)路(lu)大部分是用恒(heng)脉脉宽(kuan)调(diao)制(zhi)控制(zhi)，感(gan)性负载(zai)决定了流(liu)(liu)(liu)(liu)过续(xu)流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)极管的电(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)是连续(xu)的，三极管开通时，续(xu)流(liu)(liu)(liu)(liu)支路(lu)要截止以(yi)防短(duan)路(lu)，下面例(li)子给出了三极管与续(xu)流(liu)(liu)(liu)(liu)二(er)(er)(er)极管的相互(hu)作(zuo)(zuo)用。

图1是(shi)简化的(de)(de)Buck电路。其输出电压Vout低(di)于(yu)输入电压Vin。图2是(shi)T1的(de)(de)控制(zhi)信号和T1，D1的(de)(de)电压、电流波形。有源器件T1，D1的(de)(de)开通(tong)关断相(xiang)位如下：

T0时(shi)刻(ke)T1有开通(tong)信号(hao)。输入电压Vin加(jia)在(zai)(zai)L，Cout的串联支路，使iL线性增加(jia)。电感(gan)L和Vout决定电流，过一段时(shi)间后控制(zhi)器使T1关(guan)断，在(zai)(zai)断续工作(zuo)时(shi)，电感(gan)L储能(W=0.5LiL2)通(tong)过续流支路传送到Cout。在t2时刻(ke)T1再次开通，整个过程重复(fu)。

二极管的开(kai)关过程可分为四部分:

A.T1导通时(shi)二极管阻断;

B.阻断(duan)到导通时(shi)间；开通；

C.T1关断，二极(ji)管导(dao)通；

D.导通到关断瞬(shun)间；关断。

A. 阻断

MOFET导通时，二极(ji)管(guan)两(liang)端的(de)(de)反压(ya)是(shi)Vin。与所有(you)(you)的(de)(de)半导体一样，二极(ji)管(guan)的(de)(de)阳极(ji)到阴极(ji)有(you)(you)一个小(xiao)电(dian)流(耐电(dian)流IR)，漏电(dian)流由阻断电(dian)压(ya)，二极(ji)管(guan)芯(xin)片工(gong)作温度和二极(ji)管(guan)制(zhi)作技术决定。反向电(dian)压(ya)导致的(de)(de)总功(gong)率损耗是(shi)：

PSP=VIN·IR

B. 开通

三极管(guan)(guan)T1关(guan)断瞬间(jian)(jian)，电(dian)感(gan)电(dian)流(liu)(liu)(liu)iL保持不变。二极管(guan)(guan)两端电(dian)压逐渐减小(xiao)，电(dian)流(liu)(liu)(liu)逐渐上(shang)(shang)升(sheng)。D1的(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)(liu)上(shang)(shang)升(sheng)时(shi)间(jian)(jian)等(deng)于T1的(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)(liu)下降(jiang)时(shi)间(jian)(jian)。关(guan)断时(shi)在pn结存储的(de)(de)大量电(dian)荷被载流(liu)(liu)(liu)子带走，使(shi)得电(dian)流(liu)(liu)(liu)上(shang)(shang)升(sheng)时(shi)pn结的(de)(de)电(dian)阻减小(xiao)，二极管(guan)(guan)开(kai)通(tong)时(shi)有电(dian)压尖峰(feng)，由芯(xin)片温度、-diF/dt和芯(xin)片工艺决定。

正向(xiang)(xiang)电压尖峰与反(fan)向(xiang)(xiang)电压相(xiang)比很小(<50V)，应用时不(bu)影响二极(ji)管的(de)(de)工作(图(tu)7中(zhong)的(de)(de)D1波形)。但是(shi)二极(ji)管的(de)(de)开通电压尖峰增加了三极(ji)管的(de)(de)电压应力和关断(duan)损耗(hao)。

电(dian)压尖峰VFR决(jue)定(ding)了二极管的(de)开通捌耗。这些损耗随(sui)开关(guan)频率线性增加。

C. 通态

一且开通过(guo)程结束。二极(ji)管导通正向电流lF，pn结的门限电压和半导体的电阻决(jue)定正向压降VF。这个电压由(you)芯(xin)片温度、正向电流IF和制造工艺决(jue)定。

利用数(shu)据手册中的VTO和(he)rT可以计算正向压降和(he)通态损耗。

图3所示正向压降的简化模型是：

VF=rT·IF+VTO

相应的(de)通态损耗(hao)是：

计(ji)算出来的损耗只是近似值，因为VTO和rT随(sui)温度变(bian)化，而给出的只是在一定温度下(TVJM的参考值。

D. 关断

与通(tong)(tong)态(tai)特性(xing)不同，高频应用时(shi)二极管的选择是否合适主要取决于(yu)关断特性(xing)的参数，三(san)极管开通(tong)(tong)时(shi)，电流(liu)(liu)IF的变化率等(deng)于(yu)三(san)极管电流(liu)(liu)上(shang)升率di/dt。如果使用MOSFET或IGBT，其-diF/dt很容易超过1000A/μs。前面提到(dao)，二极管恢复阻断能(neng)力前必(bi)须去除通(tong)(tong)态(tai)时(shi)存储(chu)在pn结(jie)的载流(liu)(liu)子。这就会(hui)产生反(fan)向恢复电流(liu)(liu)，其波形取决于(yu)芯片温度、正向电流(liu)(liu)IF，-diF/dt和制造工艺。

图4是(shi)正向特性(xing)相同(tong)的金掺杂和铂掺杂外(wai)延型二极管不同(tong)温度(du)下(xia)的反向恢复电流。

相同(tong)温度下不(bu)同(tong)制造工艺的(de)二(er)极管的(de)反向恢(hui)复特(te)性明显不(bu)同(tong)。

铂掺杂二极(ji)管反(fan)向恢(hui)复电流的减小速度(du)很快(图(tu)5(b))，可(ke)控少数载(zai)流子的金掺杂二极(ji)管的恢(hui)复特性较软(ruan)(图(tu)5(a))。

恢复(fu)电(dian)流减(jian)小得很快，线路(lu)中分布电(dian)感导致的电(dian)压尖(jian)峰越高。如果最大(da)电(dian)压超过三极管的耐压值，就必须(xu)使(shi)用吸(xi)收(shou)电(dian)路(lu)以保障(zhang)设备的安全工作。而且过高的du/dt会导致EMI/RFI问(wen)题，在RFI受限(xian)的地方要使(shi)用复(fu)杂的屏(ping)蔽。

二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)反(fan)向(xiang)恢复(fu)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)不仅会(hui)增加二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)关断损(sun)耗(hao)。还会(hui)增加三极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)开通(tong)损(sun)耗(hao)，因为(wei)它也是二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)反(fan)向(xiang)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)。图6(a)和(he)(b)表明(ming)三极(ji)管(guan)(guan)开通(tong)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)是电(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)加上二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)反(fan)向(xiang)恢复(fu)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，而且开通(tong)时间(jian)受trr影(ying)响会(hui)增大。

图6(a)和(b)重点(dian)说明软(ruan)恢(hui)复(fu)特(te)性时低恢(hui)复(fu)电流的(de)(de)(de)好处。首先，软(ruan)恢(hui)复(fu)特(te)性的(de)(de)(de)金掺杂二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)电压尖峰较小和反向(xiang)恢(hui)复(fu)电流较小。因(yin)此(ci)二极(ji)管(guan)(guan)有低关断损耗(hao)。其次，低反向(xiang)恢(hui)复(fu)电流可(ke)减(jian)小三极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)开(kai)通损耗(hao)。因(yin)此(ci)，二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)选择直(zhi)接决定了两个器(qi)件的(de)(de)(de)功(gong)率损耗(hao)。

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