工程師必須了解最常用電子元件——二極體

2020-11-25 電子工程專輯

根據材料的導電能力，我們將形形色色的材料劃分為導體、絕緣體和半導體。半導體是一種具有特殊性質的物質，它的導電能力介於導體和絕緣體之間，常見的半導體材料有矽（Si）和鍺（Ge）。


二極體（Diode）屬於半導體，也是最常用的電子元件之一其最明顯的性質就是它的單向導電特性，就是說電流只能從一邊過去，卻不能從另一邊過來（從正極流向負極）。




二極體的作用有整流電路，檢波電路，穩壓電路，各種調製電路，主要都是由二極體來構成的，其原理也較簡單（正嚮導電，反向不導電）。


用萬用表打到電阻檔測量一下反向電阻如果很小就說明這個二極體是壞的，反向電阻如果很大這就說明這個二極體是好的。

二極體有正負兩個電極，印有色環的一端是負極，對於發光二極體，長引腳是負極，觀察內部可以看到器件內有兩個「旗子」，高的或長的那面對應的是負極。


二極體的種類有很多，按照所用的半導體材料，可分為鍺二極體（Ge管）和矽二極體（Si管）；按照管芯結構，又可分為點接觸型二極體、面接觸型二極體及平面型二極體。


根據二極體的不同用途，可分為檢波二極體、整流二極體、穩壓二極體、開關二極體、肖特基二極體、發光二極體等。



（1）、整流二極體

將交流電源整流成為直流電流的二極體叫作整流二極體，因結電容大，故工作頻率低。通常，IF 在 1 安以上的二極體採用金屬殼封裝，以利於散熱；IF 在 1 安以下的採用全塑料封裝。



就原理而言，從輸入交流中得到輸出的直流是整流。以整流電流的大小（100mA）作為界線通常把輸出電流大於100mA的叫整流。面結型，因此結電容較大，一般為3kHZ以下。


最高反向電壓從25伏至3000伏分A～X共22檔，分類如下：
①矽半導體整流二極體2CZ型、②矽橋式整流器QL型、③用於電視機高壓矽堆工作頻率近100KHz的2CLG型。


（2）、開關二極體


在脈衝數字電路中，用於接通和關斷電路的二極體叫開關二極體，其特點是反向恢復時間短，能滿足高頻和超高頻應用的需要。開關二極體有接觸型，平面型和擴散臺面型幾種，一般 IF＜500 毫安的矽開關二極體，多採用全密封環氧樹脂，陶瓷片狀封裝。


二極體在正向電壓作用下電阻很小，處於導通狀態，相當於一隻接通的開關；在反向電壓作用下，電阻很大，處於截止狀態，如同一隻斷開的開關。利用二極體的開關特性，可以組成各種邏輯電路。


有在小電流下（10mA程度）使用的邏輯運算和在數百毫安下使用的磁芯激勵用開關二極體。小電流的開關二極體通常有點接觸型和鍵型等二極體，也有在高溫下還可能工作的矽擴散型、臺面型和平面型二極體。


開關二極體的特長是開關速度快。而肖特基型二極體的開關時間特短，因而是理想的開關二極體。2AK型點接觸為中速開關電路用；2CK型平面接觸為高速開關電路用；用於開關、限幅、鉗位或檢波等電路；肖特基（SBD）矽大電流開關，正向壓降小，速度快、效率高。


（3）、穩壓二極體


穩壓二極體是由矽材料製成的面結合型晶體二極體，因為它能在電路中起穩壓作用，故稱為穩壓二極體。


這種管子是利用二極體的反向擊穿特性製成的，在電路中其兩端的電壓保持基本不變，起到穩定電壓的作用。作為控制電壓和標準電壓使用而製作的。



穩壓二極體的溫度係數α：α表示溫度每變化1℃穩壓值的變化量。穩定電壓小於4V的管子具有負溫度係數（屬於齊納擊穿），即溫度升高時穩定電壓值下降（溫度使價電子上升較高能量）；


穩定電壓大於7V的管子具有正溫度係數（屬於雪崩式擊穿），即溫度升高時穩定電壓值上升（溫度使原子振幅加大，阻礙載流子運動）；而穩定電壓在4~7V之間的管子，溫度係數非常小，近似為零（齊納擊穿和雪崩擊穿均有）。


（4）、變容二極體


用於自動頻率控制（AFC）和調諧用的小功率二極體稱變容二極體。它利用 PN 結的電容隨外加偏壓而變化這一特性製成的非線性電容元件，被廣泛地用於參量放大器，電子調諧及倍頻器等微波電路中。


主要是通過結構設計及工藝等一系列途徑來突出電容與電壓的非線性關係，並提高 Q 值以適合應用。通過施加反向電壓，使其PN結的靜電容量發生變化。因此，被使用於自動頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等用途。


通常，雖然是採用矽的擴散型二極體，但是也可採用合金擴散型、外延結合型、雙重擴散型等特殊製作的二極體，因為這些二極體對於電壓而言，其靜電容量的變化率特別大。結電容隨反向電壓VR變化，取代可變電容，用作調諧迴路、振蕩電路、鎖相環路，常用於電視機高頻頭的頻道轉換和調諧電路，多以矽材料製作。


（5）、TVS二極體


TVS二極體（Transient Voltage Suppresser 瞬態電壓抑制器）是和被保護電路並聯的，當瞬態電壓超過電路的正常工作電壓時，二極體發生雪崩，為瞬態電流提供通路，使內部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。



由於 TVS 二極體的結面積較大，使得它具有洩放瞬態大電流的優點，具有理想的保護作用。


（6）、肖特基二極體 


它是具有肖特基特性的"金屬半導體結"的二極體。其正向起始電壓較低。其金屬層除材料外，還可以採用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導體材料採用矽或砷化鎵，多為N型半導體。這種器件是由多數載流子導電的，所以，其反向飽和電流較以少數載流子導電的PN結大得多。



由於肖特基二極體中少數載流子的存貯效應甚微，所以其頻率響僅為RC時間常數限制，因而，它是高頻和快速開關的理想器件。其工作頻率可達100GHz。並且，MIS（金屬－絕緣體－半導體）肖特基二極體可以用來製作太陽能電池或發光二極體。可作為續流二極體，在開關電源的電感中和繼電器等感性負載中起續流作用。


（7）、發光二極體


用磷化鎵、磷砷化鎵材料製成，體積小，正向驅動發光。工作電壓低，工作電流小，發光均勻、壽命長、可發紅、黃、綠、藍單色光。


隨著技術的進步，近來 研製成了白光高亮二極體，形成了LED照明這一新興產業。還用於VCD、DVD、計算器等顯示器上。


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