基础知识之二极管

时间:2024-03-20来源:电子森林

1、真空管以前・・・

发现二极真空管里有整流特性和爱迪生效果是1884年。其实在这8年之前的1876年已发现了硒的整流作用。利用半导体特性实现整流效果的二极管的历史十分古老。但比真空管还要古老是稍微意外吧。

2. 鍺,接下来硅

当初原始的二极管-硒整流器和矿产检波器是,使用黄铁矿和方铅矿等天然亚酸化铜(多结晶半导体)。 其后,经过精炼技术的进步,转移到了鍺,硅等高感度稳定生产的单结晶半导体的时代。鍺对热特性弱,现在几乎都使用硅。

3. 从PN结合诞生的整流效果

二极管素子是PN结合的构造。P形半导体端的端子叫阳极,N形半导体端的端子叫做阴极。 电流只能从阳极流到阴极,从阴极到阳极几乎没有电流流过。 这个效果叫整流效果,换句话说,就是把交流变换直流的作用。

4. 二极管就是开关

二极管的作用直说就是开关,电流的开关。把电流用水流比喻的话,阳极是上流,阴极是下流,水从上流到下流能流下去,就是说电流能流下去,但从下流不能流到上流。这就是二极管的整流作用。

5. 结合构造也有多样

二极管的接合构造现在大有PN结合和肖特基形。前者是半导体和半导体结合,细分有扩散接合形和台地形。后者是半导体和金属之间发生的效果。结合这个语言通常不在二极管里表现。在这里为了容易理解分列在这里。现在,实现小功耗高速性的肖特基接合形被注目,我公司积极地推进SBD的系列化。

6. 顺方向特性和逆方向特性

二极管有阳极和阴极两个端子,阳极 (+),阴极 (-)。从阳极到阴极流过电流时的特性叫做顺方向特性,例VF,IF。相反,从阳极 (-) 向阴极 (+) 加电流时,二极管基本上无电流流过,这时的特性叫做逆方向特性,例VR,IR等逆方向特性。

最基本的分类方法。二极管根据其特性分为整流二极管、开关二极管、肖特基势垒二极管、齐纳二极管、用于高频的高频二极管。另外,作为保护元件一般使用齐纳二极管,但随着周边电路的精密化、应用微细化,被要求使用更高性能的保护元件 — TVS (Transient Voltage Suppressor)。

按素子构造来分类,主要分为现在主流的Planar形和耐高压的台地形。

平面型

现在最常用的半导体结合的方法,在硅基板上形成氧化膜,在必要的地方开孔把不纯物扩散结合。

扩散结合形(PN结合形)※

把不纯物热扩散到硅半导体里,形成叫做P形,N形的不纯物扩散领域。这个结合部产生叫做电位墙壁的墙壁。

肖特基势垒型※

利用金属与半导体结合时产生的电位墙壁的叫做肖特基垫垒形。很久以前就知金属和半导体接触时拥有整流特性,但理论说明的人是Mr.Shotoky,因此这个构造的起名为肖特基垫垒。和PN形来比,恢复时间快,所以高频的整流效果非常好,还有顺方向电压也低,功耗也少,所以广泛用于高频整流。

台面型

结合部像富士山,这个构造的逆电压 (VR) 容易变大,多用于整流二极管。耐压容易做大,但相反与Planar形相比逆电流也变大,我公司的整流二极管是这个构造。

按顺方向电流大小来分,IF未满1A的叫做小信号二极管,1A以上的叫做中功率/大功率二极管。

二极管排列,是指二极管集聚的复合二极管

封装,实际安装形状,二极管有各种各样的形装.大体分为插件形和贴片形。市场数年前开始贴片成为主流,我公司也拥有充实的贴片形系列。

整流二极管 (Rectifier Diode) 顾名思义,是指对商用频率的交流电进行整流的二极管。整流的主要目的是将交流转换为直流,其具有高电压、高电流特性。另外,根据使用频率和使用条件不同,转换效率有所不同,提供低VF(正向电压)、高速开关型、低噪音等产品。

顾名思义,是指具有开关功能的二极管。此二极管具有正向施加电压时电流通过 (ON),反向施加电压时电流停止 (OFF) 的性能。反向恢复时间 (trr) 短,与其他二极管相比,开关特性优异。

反向恢复时间 (trr) 是指开关二极管从导通状态到完全关闭状态所经过的时间。一般关断后电子不能瞬间停止,有一定量的反向电流流过。其漏电流越大损耗也越大。还正在开发优化材料或扩散重金属从而缩短trr,抑制反冲后振荡(振铃)的FRD (Fast Recovery Diode) 等产品。

特点

  • trr是指电压变为反向后,直到电流变为零的时间。
  • trr快速,则可以实现低损耗、高速开关。

一般的二极管是利用PN接合来发挥二极管特性,而肖特基势垒二极管是利用了金属和半导体接合产生的肖特基势垒。 与一般的PN结二极管相比,具有正向电压 (VF) 低,开关速度快的特点。但漏电流 (IR) 大,有如果热设计错误则引起热失控的缺点。

广泛用于电源部二次侧整流。其特性根据使用的金属不同而不同,ROHM利用多种金属,推出如下产品阵容。

  • 低VF型 RB1系列 * 低IR型 RB0系列
  • 车载用超低IR型 RB**8系列

特点

  • 通过改变金属种类,可制造低VF型、低IR型产品。

肖特基势垒二极管在特性上会因正向电流大而导致发热。发热则漏电流 (IR) 变大,同时外壳温度、环境温度也上升。如果热设计错误,发热将高于散热,达不到热平衡持续发热。其结果漏电流 (IR) 也持续增加,最终元器件遭到损坏。这种现象叫做热失控。

特点

  • 周围温度高,则引起热失控。

齐纳二极管利用电流变化时电压恒定的特点,用于恒压电路,作为防止IC免受浪涌电流、静电损坏的保护元件使用。其特点是一般的二极管是正向使用,而齐纳二极管是反向使用。反向击穿电压称为齐纳电压 (VZ) 、此时的电流值称为齐纳电流 (IZ) 。近年来随着电子设备的微细化/高功能化的不断发展,要求保护元件具备更高性能,在这种趋势下逐渐拉大与TVS (Transient Voltage Suppressor) 的差别。


特点

  • 只有ZD利用了反向特性。

TVS是“Transient Voltage Suppressors”的首字母缩写,是一种用于过电压保护和 ESD保护的器件。

TVS二极管用来保护后段的IC免受由静电和电源波动引起的意外过电压和浪涌的影响。 整流二极管和肖特基势垒二极管利用的是二极管的正向特性,而TVS二极管与齐纳二极管(ZD)一样,利用的是二极管的反向特性。 如下图所示将TVS二极管与IC并联,当电路正常工作时,TVS二极管处于OFF状态,只消耗一定的漏电流。 当被施加了浪涌等过电压时,TVS二极管会变为ON状态,并且TVS侧会消耗脉冲电流,从而钳制过电压并保护后段的IC。

TVS二极管的极性是与电路品质相关的项目。 单向TVS可用作LH等单极电路的保护器件,不适用于保护双极电路。 双向TVS可以用于正负两极的保护,因此适用于保护双极电路和CAN等数据线路。 此外,双向TVS也可用于保护单极电路。

TVS和ZD在利用二极管的反向特性方面是相同的,但是由于ZD主要用于恒压应用,因此对电压稳定的低电流范围(5mA~40mA)规定了“齐纳电压(VZ)”。 此外,ZD基本上在ON状态下使用。 而TVS为了不影响IC的驱动电压,在电路正常工作期间处于OFF状态,当被施加了浪涌等突发过电压时,击穿电压值变得越发重要。 因此,规定了绝对不会导致击穿的两个电压——“截止电压(VRWM)”和“击穿电压(VBR)”。 此外,由于其主要用途是过电压保护,因此,作为保护特性,对几A~几十A范围内的大电流范围特性也有规定。

引脚二极管举例

由电阻值高的I型半导体制成,其特点是引脚间电容(CT)非常小。正向电压条件下,具有可变电阻特性,反向电压条件下,具有电容器特性。利用其高频特性(引脚间电容小,因此对通信线没有影响),作为高频信号开关(带天线的移动设备),衰减器,AGC电路用可变电阻元件使用。

二极管引脚间施加反向电压时,存储的电荷量称为引脚间电容(CT)。接合P层和N层,则空穴与电子结合,在界面形成电气特性为中性的耗尽层。 耗尽层起到寄生电容器的作用,其电容值(CT) 与PN结的面积成正比,与距离 (d) 成反比。距离由P层、N层浓度等因素设计而成。向二极管施加电压,则耗尽层扩大,CT下降。 根据使用的应用不同,其要求的CT值不同。

特点

  • 耗尽层越宽(d大)CT越低。

常见问题

https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete/chap2/chap2-9.html

可变电容二极管是利用耗尽层电容特性的产品。当施加反向电压时,耗尽层出现在二极管的pn结中,其厚度与反向电压成正比。

因此,随着反向电压的增加,耗尽层厚度增加,但电容减小。其作用与增加电容器两个电极之间的距离相同。相反,如果反向电压减小,耗尽层厚度减小,但电容增加。

它应用于调谐电路等。由于这种电容变化会改变频率特性,因此与普通二极管相比,需要较大的电容变化率。

可变电容二极管与一般二极管不同,其重要特性不是正向电压VF和开关特性,而是电容值及其变化(取决于电压)。


关键词: 二极管

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