电子设计基础元器件 二极管，小小二极管，大大用途。 ... by 矜辰所致

　　二极管作为最基础的晶体管，在电子电路应用中无所不在，博主在电路小课堂专栏里面的电路总结，不管是电平转换电路，电源自动切换电路，防反接电路，都有二极管的影子。

　　虽然二极管很基础，相对其他晶体管来说它是简单的，但是他的种类繁多，不同的类型应用场景也不相同，那么在我们平时电路设计上如何选择合适的二极管，以及了解不同种类的二极管的应用场景就很重要了。

　　那么既然要说，那么博主肯定是老样子，不将就！给它整到位了，从原理到应用一网打尽。

　　说明，本文的核心在于了解二极管的分类和应用，说明不同二极管的不同应用场合，一些基础的说明会使用引用，但是博主还是会对每个部分做总结说明。

　　首先我们来认识一下二极管，当然这部分都是基础介绍，知道与不知道并不影响二极管的应用。

　　基础知识说明大部分为引用总结，博主会在每小章节的最后用总结的语言概括一下。

　　其中了解一下 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常见的半导体有硅（Si）和锗（Ge）。二极管由半导体的材料制成，有硅二极管和锗二极管之分。

　　3 二极管是一种由半导体材料制成的一种具有单向导电性能的电子元器件。

　　那么其中 P型半导体 和 N型半导体 的解释，在全面认识MOS管，一篇文章就够了一文中已经简单介绍过了，这里截取文中图片：

　　3 二极管就是由一个由 P 型半导体和 N 型半导体形成的 PN 结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。

　　二极管的工作原理要说清楚，需要从他的根本 PN 结说起，从 PN 结形成的原理分析，还需要分析 P 型半导体的形成，N 型半导体的形成等等。

　　如果要实实在在的说清楚，至少需要图文并茂，如果能够有视频讲解就更好了，博主这里参考了网上大量的文章和视频，推荐几个博主认为说明的比较细致的文章和视频（本文的侧重点还是在分类和应用上，这个原理已经有很多好的文章和视频）：

　　3 二极管工作的原理简单概括为： PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流; PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 PN结具有单向导电性。

　　正向特性(外加正向电压，上图中X坐标的正半部分) 当正向电压超过某一数值后，二极管才有明显的正向电流，该电压值称为导通电压。 在室温下，硅管的Ｖth约为0.5V，锗管的Ｖth约为0.1V。 大于导通电压的区域称为导通区。 当流过二极管的电流Ｉ比较大时，二极管两端的电压几乎维持恒定，硅管约为0.6～0.8Ｖ（通常取0.7Ｖ），锗管约为0.2～0.3V（通常取0.2Ｖ）。

　　反向特性(外加正向电压，上图中X坐标的负半部分) 在反向电压小于反向击穿电压的范围内，由少数载流子形成的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。 此部分为截止区。 由二极管的正向与反向特性可直观的看出：①二极管是非线性器件；②二极管具有单向导电性。

　　反向击穿特性 当反向电压增加到某一数值ＶBR时，反向电流急剧增大，这种现象叫做二极管的反向击穿。

　　记住一句线温度升高会导致正向特性左移（导通电压降低，正向压降降低），反向特性下移（反向电流增加）。

　　3采取适当的掺杂工艺，可将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8～1000V。而齐纳击穿电压低于5V。

　　在使用二极管的过程中，如由于反向电流和反向电压过大，使得PN结功耗变大，超过PN结的允许功耗，温度上升直到过热使PN结击穿的现象叫热击穿。

　　二极管的参数在每一个二极管的手册上面都有说明，这里我使用常用的 1N4148WS 做个说明：

　　但是现在来说明参数的时候，我确实对这里有点疑问，翻译过来这个正向连续电流到底是怎么一回事？后来仔细想了想，这个正向连续电流其实就是其他文中说参数的 最大整流电流 IF（有错误请指出）。 他居然是平均整流电流的1倍。 但是实际上使用起来，如果设计上不考虑冗余的话，电路也是容易出问题的。

　　这个参数其他文章都没有特别说明，但是我觉得我实际应用中，更多的是参考这个参数进行设计的。 就是电流部分，设计起来都会直接参考 平均整流电流 设计，所以下面的所说的最大整流电流，肯定不会达到。

　　就是面二极管参数图片中的 正向连续电流。二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。我建议使用 Io 做参考，所以这里了解一下，关注电流的原因就是电流越大管子越热。

　　注意！有些二极管上并没有 IF 这个参数，只有 Io，此时 Io 就可以认为是最大整流电流。

　　包括所有重复瞬态电压，不包括不重复瞬态电压。 通常是与电路相关，比如交流信号是正弦曲线，每个周期都会有一个最高点，这个最高点就可以说是，重复峰值电压。

　　不重复峰值电压，通常由外部因素引起，半导体整流二极管两端出现的任何不重复最大瞬时值的瞬态方向电压。可以认为就是二极管最高反向工作电压。首先从应用上来看，在上图中他们都相等，即便我们不知道细节也可以正常的使用这个二极管。 就算他们不相等，我们在设计的时候选取最小的就可以。

　　二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值，则反向电流(IR)剧增，二极管的单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压(VBR)的一半作为(VRM)。

　　反向电流是指二极管在规定的温度和反向电压作用下，流过二极管的反向电流。不同的反向电压下的反向电流肯定是不一样的。 反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。反向电流与温度密切相关，大约温度每升高10℃，反向电流增大一倍。 硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

　　上图中的二极管 反向电压为 75V 时，反向电流为 1uA， 反向电压为 20V 时，反向电流为 25nA。

　　上文中的标题是 Capacitance between terminals ，这个结电容的大小直接表示了 二极管的 频率特性。 由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使 PN 结短路。导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN 结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。

　　现在的二极管手册都会告诉你，在什么情况下二极管的结电容是多少，而不会直接给出工作频率这个参数

　　上图中的二极管 在 VR=0V,f=1MHz 的条件下，结电容的大小为 2pF。

　　上图中的二极管的浪涌电流最大允许 2A电流不超过1us 或 1A电流不超过 1s。

　　从正向电压变成反向电压时，电流一般不能瞬时截止，要延迟一点时间，这个时间就是反向恢复时间。 这个参数决定了二极管的开关速度。

　　3 二极管参数不止上面列举的这些，但是实际一般使用，知道这些参数就已经能够安全的进行电路设计了。

　　2、发光二极管判断的话，长脚是正极，短脚是负极。内部大的是负极，小的是正极。

　　原理图是很直观的就能看出二极管的正负极，那么在PCB板上通过丝印，如何判别二极管正负极呢？

　　万用表调整至二极管档位，红表笔接二极管 + 极，黑表笔接二极管 - 极，可以看到有一个电压值，就个电压值就是二极管的导通压降（0.2~0.8V 不同二极管电压值不同），反过来接，没有电压值显示（无穷大）。

　　如果是发光二极管，红表笔连接至发光二极管 + 极，黑表笔连接至 - 极，可以点亮发光二极管。

　　3 总的来说，外观上看二极管的负极会有标识（一般是横杆），现在的万用表可以很方便的测量出正负极，和二极管的好坏。

　　如果是2个脚的封装的二极管，确实没有必要特别说明，知道它的阴极阳极即可正常使用。

　　在上面的封装中，都是由多个二极管的组成进行封装的，为什么会有这些类型的组合封装的二极管呢？这就是我们要说明的问题。

　　如果选择多个独立的二极管，即便型号一样，生产厂家一样，生产批次一样，两个二极管之间的性能特性，也会有一定的差异；

　　使用上面组合形式封装的二极管，相对来说！ 是相对来说，多个二极管之间的差异会比单独的二极管小得多，在一些特除场合更能保证性能的一致性！

　　再者，我们在设计电路的时候，因为布局走线问题，使用独立的二极管也会导致并联的二极管存在性能差异，如果使用上面组合形式封装的二极管，可以避免这种不一致问题的存在，减少电路问题。

　　3 在电路设计时候，使用组合形式封装的二极管比使用独立元器件更加稳定可靠，在某些特殊场合尽量使用组合封装的二极管（ESD防护，桥堆）。

　　对于我们一般二极管选型使用来说，都是以用途来选择，所以我们主要是从用途上来说明一下这些不同二极管的使用场景。 当然，根据博主自己的工作领域，对于有些二极管说明会详细写，有一些会简单些，带标题的都是常用的，其他的用得少不常用简单描述一下= =！。

　　对于肖特基二极管，需要特别说明，它不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。

　　所以也 肖特基二极管也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。

　　特点：开关频率高，为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向压降低，正向导通压降仅0.4V左右。

　　用途：多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。

　　3 肖特基二极管不是 PN 结而是 金属-半导体 结，最主要特点导通压降小。

　　TVS管在电路中一般工作于反向截止状态，不影响电路的任何功能，当两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1/(10^12)秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。干扰脉冲过去后，TVS又转入反向截止状态。由于在反向导通时，其箝位电压低于电路中其它器件的最高耐压，因此起到了对其它元器件的保护作用。

　　在单片机系统中常见的TVS二极管有：SMBJ3.3A，SMBJ5.0A，实际使用如下图：

　　选择TVS之前，我们首先要明白选择的终极目标：： 1.电压合适能保护后级电路； 2.引入的TVS的结电容不能影响电路；功率余量充足，满足测试标准，且不能比保险管先挂。选型的过程可以按照以下的步骤进行： (1) 选择TVS最高工作电压Vrmw； (2) 选择TVS钳位电压VC； (3) 选择TVS的功率； (4) 评估漏电流IR的影响； (5) 评估结电容的影响；

　　选择TVS最高工作电压Vrmw； 在电路正常工作情况下，TVS 应该是不工作的，即处于截止状态，所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS 工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择 Vrwm 时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。要求Vrwm要大于工作电压，否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大，接近导通，或者雪崩击穿，影响正常电路工作。综合考虑，Vrwm可以参考以下的公式： Vrwm≈1.1~1.2*VCC ；--------其中VCC为电路的最高工作电压。

　　选择选择TVS钳位电压VC； TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，VC 与 TVS 的雪崩击穿电压及 IPP 都成正比。对于同一功率等级的 TVS，其击穿电压越高 VC 也越高，所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。Vc可以参考以下的公式： VC＜Vmax ；-----其中Vmax为电路能承受的最高电压.

　　选择TVS的功率Pppm（或者Ipp）； TVS 产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，理论上，TVS的功率越大越好，能够承受更多的冲击能量和次数，但是功率越高，TVS的封装越大，价钱也越高，所以，TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS，相同电压规格的 TVS 其 VC 值是一样的，只是 IPP 不同。故 Pppm 与 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。对于某一电路 ，有对应的测试要求，设实际电路中的最大测试电流为 Iactual ，则 Iactual 可估算为：Iactual=Uactual/Ri；---------其中 Uactual 为测试电压，Ri为测试内阻。 TVS 要通过测试，故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 Pactual 为：-------其中di/dt为波形转换系数，如实际测试波形为其他波形，如 8/20μs波形，建议di/dt取，如测试波形为 10/1000μs，实际选型中，TVS 应留有一定的裕量，TVS 的功率Pppm 选择应遵循Pppm＞Pactual。

　　根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响 如果TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，就需要考虑结电容和漏电流的影响，两则的参数越小越好。

　　3 TVS二极管，瞬态电压抑制器，雪崩击穿二极管，利用二极管雪崩击穿保护后端元器件的二极管。

　　静电防护的前提条件就要求其电容值要足够地低，一般在1PF-3.5PF之间最好，主要应用于板级保护。

　　静电在我们的日常生活中可以说是无处不在，不同物质的接触、分离或相互摩擦，即可产生静电。例如在生产过程中的挤压、切割、搬运、搅拌和过滤以及生活中的行走、起立、脱衣服等，都会产生静电。

　　我们的身上和周围就带有很高的静电电压，几千伏甚至几万伏。这些静电也许对人体影响不大，但对于一些ESDS（静电敏感元件），却直接可以使其失去本身应有的正常性能，甚至完全丧失正常功能。这样ESD防护就非常必要了。

　　有一些 ESD二极管 是由多个TVS二极管 采用不同的布局设计成具有特定功能的单路或多路ESD保护器。

　　TVS 二极管的一般都是单个二极管，2个引脚的封装形式，相对体积大，只能对单一电路进行防护。 ESD 二极管不仅有单个二极管形式的，还有很多组合布局构造成的多引脚封装，可同时接多路电路。 比如上面 ESD介绍应用的时候，我图中使用的封装就分别是 3个引脚和 4个引脚的。

　　功率不一样： ESD二极管的功率普遍都比较低，一般功率都在50W、90W、100W、200W、350W、400W、450W、500W等。 ESD选型的时候主要看的是他的抗静电等级。

　　ESD二极管功能是 防静电，主要应用于板级保护。 TVS二极管功能是 防浪涌过电压，主要应用于电源电路初级和次级保护。

　　ESD 二极管的结电容比较低，一般可小刀 几 pf，甚至 0.几 pf，静电防护的前提条件就要求其电容值要足够地低。 TVS 二极管的结电容一般在 几十pf 到几十 nf 之间 。

　　稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，称为击穿，在这一临界击穿点上，反向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能。

　　说明，稳压二极管使用一般都需要串联一个电阻做限流电阻用，因为一般来说稳压二极管的功率比较小。

　　3稳压二极管 又叫齐纳二极管，工作在反向击穿区域的二极管，稳压值等于反向击穿电压，应用中需要串联一个限流电阻。

　　齐纳二极管 正常工作在 反向击穿区域， TVS二极管 正常工作 在截止区。

　　TVS 保护瞬间的 非常高的异常电压，用于保护电路。 稳压管 保护电路中出现的 小波动电压，使得电压平稳，用于稳压电路。

　　基本上可认为的单向二极管都具备整流功能，因为这是二极管的特性，只是有些二极管针对不同的应用场合设计生产工艺会有不同，所以整流效果有好有坏，当然我们需要用来整流肯定选择专门的整流二极管。

　　普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。

　　开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管或选择快恢复二极管。还有一种肖特基整流二极管。

　　3 整流二极管，将交流电能转变为直流电，典型应用 - 整流桥堆。

　　引用：发光二极管简称为LED。由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。 当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。

　　发光二极管需要注意，即便是同一厂家同一型号不同批次之间，颜色和亮度都可能会有明显的差异。

　　在使用过程中，发光二极管发光的强弱 和 流过他的电流成正比，所以如果觉得光弱，可以降低和他串联的电阻，但是要注意他能够承受的最大电流，防止损坏。

　　平时使用的光照传感器就是光敏二极管，以前用过一种光敏二极管 VTB8440B （比较老了，性价比太低放在现在）实现光照强度采集，电路如下：

　　光敏二极管可以利用光照强弱来改变电路中的电流，一般来说光线越强，电流越大。

　　就拿现在的手机来说，手机放置耳朵边接听电话屏幕会自动熄灭，离开面部屏幕会变量，就是通过手机上不的光敏二极管检测光照强度来实现控制的。

　　3 光敏二极管，可以利用光照强弱来改变电路中的电流，作为光照传感器广泛使用。

　　开关二极管，是半导体二极管的一种，是为在电路上进行开、关而特殊设计制造的一类二极管。

　　普通的二极管就就具备开关的基本特性，但是针对于开关二极管，最重要的特点是高频条件下的表现。

　　高频条件下，二极管的势垒电容表现出来极低的阻抗，并且与二极管并联。当这个势垒电容本身容值达到一定程度时，就会严重影响二极管的开关性能。极端条件下会把二极管短路，高频电流不再通过二极管，而是直接绕路势垒电容通过，二极管就失效了。而开关二极管的势垒电容一般极小，这就相当于堵住了势垒电容这条路，达到了在高频条件下还可以保持好的单向导电性的效果。

　　检波二极管是用于把叠加在高频载波上的低频信号检出来的器件，它具有较高的检波效率和良好的频率特性。 检波（也称解调）二极管 的作用是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来，广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，其工作频率较高，处理信号幅度较弱。

　　快速恢复二极管与普通二极管相似，但制造工艺与普通一极管有所不同。在靠近PN结处的掺杂浓度很低，以此获得较高的开关速度和较低的正向压降。它的反向恢复时间为200～750 ns，高速的可达10 ns。与肖特基二极管相比，其耐压值要高得多。它主要用作高速整流元件，在开关电源和逆变电源中作整流一极管，以降低关断损耗，提高效率和减小噪声。

　　变容二极管(Varactor Diodes)又称可变电抗二极管，是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。 变容二极管(Varactor Diodes)为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）结的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。 变容二极管也称为压控变容器，是根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体。也就是说，作为可变电容器，可以被应用于FM调谐器及TV调谐器等谐振电路和FM调制电路中。

　　它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等、例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容。

　　pin二极管，通信术语，是一种在光通信中普遍使用的光电二极管。PIN二极管作为一种特种微波半导体元件，广泛应用于微波和射频电路的设计中，具有许多优良的特点，例如：开关速度快、可控功率大、损耗低、反向击穿电压高等。另外，PIN二极管无论被正向或者反向偏置均可得到类似于短路与开路。因而，PIN二极管已经成为各种电子设备中的重要组成部分。

　　其结构不同于普通二极管的地方主要是在重掺杂的P区和N区中间夹一层本征层(即I层)。在其两端施加不同的直流电，PIN管本征层(I层)的载流子数目会发生变化。在反向偏置时，I区将导致极高的二极管击穿电压，而器件电容是通过增大P区和N区的距离来减小的，在正向偏置时，I区的电导率是由末端区植入电荷来控制的。这种二极管是一种低失真的偏流控制电阻器，且具有良好的线性性能。

　　PIN二极管的直流福安特性和PN结二极管是一样的，但是在微波段却有本质的差别。

　　文章肝了好多天，想着如何把结构写好，如何把关键问题说清楚，如何让需要的人能及时找到自己需要的点，让新人朋友能够快速的理解相关知识，磨磨唧唧总算也是写完初稿了，博主也在学习，也在进步，所以文章也会保持更新！

　　3 不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，精诚所至，金石为开！3