1.5二极管的类型

在本教程中，我们将学习不同类型的二极管，包括小信号二极管、齐纳二极管、发光二极管、肖特基二极管、隧道二极管、雪崩二极管等。这将是对不同类型的二极管及其基本功能和对应电路符号的简要介绍。

二极管概述

二极管是具有两个端子的电子元件，其功能类似于单向开关，即只允许电流单向流动。这些二极管是使用硅、锗和砷化镓等半导体材料制造的。

二极管的两个端子分别称为阳极和阴极。根据这两个端子之间的电势差，二极管的操作可以分为两种方式：

• 如果阳极的电势高于阴极，则二极管处于正向偏置状态，允许电流流动。
• 如果阴极的电势高于阳极，则二极管处于反向偏置状态，不允许电流流动。

不同类型的二极管有不同的电压要求。对于硅二极管，正向电压为0.7伏特，而对于锗二极管，其为0.3伏特。通常，在硅二极管的一端有一个深色带，表示阴极端子，另一端为阳极。

二极管的主要应用之一是整流，即将交流电（AC）转换为直流电（DC）。由于二极管只允许电流单向流动并阻断反向电流，因此它们被用于反向极性保护和瞬态保护应用中。

不同类型的二极管

现在，让我们简要了解一下几种常见的二极管类型。

1. 小信号二极管 这是一种小型设备，具有不成比例的特性，主要用于高频和非常低电流的应用，如收音机和电视等。为了防止二极管受到污染，它被包裹在玻璃中，因此也被称为玻璃钝化二极管。其中一种流行的小信号二极管是1N4148。

   从外观上看，信号二极管比功率二极管小得多。为了指示阴极端子，一端标有黑色或红色。在高频应用中，小信号二极管的性能非常有效。

   除了其他功能外，信号二极管通常具有较小的电流承载能力和功率损耗。通常，这些值分别为150毫安和500毫瓦。

   小信号二极管可以由硅或锗型半导体材料制成，但二极管的特性会根据掺杂材料而有所不同。

   小信号二极管用于通用二极管应用、高速开关、参数放大器等。小信号二极管的一些重要特性包括：

   • 峰值反向电压（VPR）：在二极管击穿之前可以施加的最大反向电压。
   • 反向电流（IR）：在反向偏置时流动的电流（非常小的值）。
   • 最大正向电压（VF at IF）：在峰值正向电流下的最大正向电压。
   • 反向恢复时间：反向电流从正向电流下降到IR所需的时间。

2. 大信号二极管

   这些二极管具有较大的PN结层，因此通常用于整流，即将交流电转换为直流电。较大的PN结也增加了二极管的正向电流承载能力和反向阻断电压。大信号二极管不适合高频应用。

   这些二极管的主要应用是在电源中（整流器、转换器、逆变器、电池充电设备等）。在这些二极管中，正向电阻值为几欧姆，反向阻断电阻值为兆欧姆。

   由于其高电流和电压性能，这些二极管可以用于抑制高峰值电压的电气设备。

3. 齐纳二极管 这是一种被动元件，基于“齐纳击穿”原理工作。它由Clarence Zener于1934年首次制造，在正向偏置条件下与普通二极管类似，即允许电流流动。

   但在反向偏置条件下，二极管仅在施加电压达到击穿电压时才导通，这种现象称为齐纳击穿。它被设计为防止其他半导体器件受到瞬态电压脉冲的损害，因此它用作电压调节器。

   

4. 发光二极管（LED） 这些二极管将电能转换为光能。其生产始于1968年。它在正向偏置条件下通过电致发光过程工作，其中空穴和电子复合产生光能。

   在早期，LED成本很高，仅用于特殊应用。但多年来，LED的成本大幅下降，加上其极高的能效，使得LED成为家庭、办公室、街道（街灯和交通灯）、汽车、手机等的主要照明来源。

   

5. 恒流二极管 也被称为电流调节二极管、电流限制二极管或二极管连接晶体管。该二极管的功能是在特定电流下调节电压。

   它作为一个两终端的电流限制器。在这种情况下，JFET作为电流限制器，以实现高输出阻抗。恒流二极管的符号如下所示。

6. 肖特基二极管 在这种类型的二极管中，通过将半导体材料与金属接触形成结。因此，正向电压降被降至最低。半导体材料为N型硅，作为阳极，而铬、铂、钨等金属作为阴极。

   由于金属结的存在，这些二极管具有较高的电流传导能力，因此开关时间缩短。因此，肖特基二极管在开关应用中具有更大的用途。由于金属-半导体结的存在，电压降较低，这反过来提高了二极管的性能并减少了功率损耗。因此，它们被用于高频整流应用中。肖特基二极管的符号如下所示。

   

7. 肖克莱二极管 这是最早发明的半导体器件之一。肖克莱二极管有四层，也被称为PNPN二极管。它相当于一个没有门极的晶闸管，这意味着门极是断开的。由于没有触发输入，二极管导通的唯一方法是提供正向电压。

   一旦“打开”，二极管保持“打开”状态；一旦“关闭”，它保持“关闭”状态。二极管有两个工作状态：导通和非导通。在非导通状态下，二极管以较低的电压导通。

   

   肖克莱二极管的符号如下所示。

   

应用：

• 作为晶闸管的触发开关。
• 作为弛豫振荡器。

8. 阶跃恢复二极管 也被称为快恢复二极管或电荷存储二极管。这些是特殊的二极管，它们从正脉冲中存储电荷，并在正弦信号的负脉冲中使用。电流脉冲的上升时间等于快恢复时间。由于这种现象，它具有快速恢复脉冲。

   这些二极管的应用包括高阶倍频器和脉冲整形电路。这些二极管的截止频率非常高，接近吉赫兹量级。

   作为倍频器，这种二极管的截止频率范围为200到300吉赫兹。在10吉赫兹范围内的操作中，这些二极管起着关键作用。对于低阶倍频器，效率较高。这种二极管的符号如下所示。

   

9. 隧道二极管 它被用作高速开关，开关速度在几纳秒的量级。由于隧道效应，它在微波频段具有非常快速的操作。它是一个两终端设备，其中掺杂剂的浓度非常高。

   暂态响应受到结电容和杂散布线电容的限制。它主要用于微波振荡器和放大器。它是最负电导器件。隧道二极管可以通过机械和电气方式进行调谐。隧道二极管的符号如下所示。

应用：

• 振荡电路。
• 微波电路。
• 抗核辐射。

10. 变容二极管 也被称为变容二极管。它像一个可变电容器一样工作。操作主要在反向偏置状态下进行。由于其在恒定电压流动下改变电路中电容范围的能力，这些二极管非常著名。

    它们能够将电容调节到很高的值。在变容二极管中，我们可以通过改变反向偏置电压来增加或减少耗尽层。这些二极管在手机的压控振荡器、卫星预滤波器等应用中非常常见。变容二极管的符号如下所示。

应用

• 压控电容器
• 压控振荡器
• 参数放大器
• 频率倍频器
• 无线电、电视机和手机中的调频发射机和锁相环

11. 激光二极管

与发光二极管（LED）类似，其有源区由P-N结形成。从电学角度看，激光二极管是P-I-N二极管，其有源区位于本征区。用于光纤通信、条形码扫描仪、激光笔、CD/DVD/蓝光读取和记录、激光打印。

激光二极管类型：

• 双异质结构激光器：区域内同时存在自由电子和空穴。
• 量子阱激光器：具有多个量子阱的激光器称为多量子阱激光器。
• 量子级联激光器：这些是异质结激光器，能够在相对较长的波长下实现激光作用。
• 分离限制异质结构激光器：为了解决量子激光器中的薄层问题，采用分离限制异质结构激光器。
• 分布布拉格反射激光器：可以是边发射激光器或垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

激光二极管的符号如下所示：

12.瞬态电压抑制二极管

在半导体器件中，由于状态电压的突然变化，会产生瞬态电压。这些瞬态电压会损坏器件的输出响应。为了解决这一问题，使用了电压抑制二极管。瞬态电压抑制二极管的工作原理类似于齐纳二极管。

这些二极管在正常情况下作为P-N结二极管工作，但在瞬态电压发生时，其工作状态会发生变化。在正常情况下，二极管的阻抗较高。当电路中出现瞬态电压时，二极管进入雪崩击穿区，提供低阻抗。

由于雪崩击穿的持续时间在皮秒级别，瞬态电压抑制二极管能够非常迅速地将电压钳制到固定水平，其钳制电压通常处于最小范围内。

这些二极管在电信领域、医疗设备、微处理器和信号处理中有广泛应用。它们对过电压的响应速度比压敏电阻或气体放电管更快。

瞬态电压抑制二极管的符号如下所示：

二极管的特性包括：

• 漏电流
• 最大反向阻断电压
• 击穿电压
• 钳制电压
• 寄生电容
• 寄生电感
• 能够吸收的能量

13.金掺杂二极管

在这些二极管中，使用金作为掺杂剂。这些二极管比其他二极管更快。在这些二极管中，反向偏置条件下的漏电流也更小。即使在较高的电压降下，这些二极管也能在信号频率下工作。在这些二极管中，金有助于少数载流子的快速复合。

14. 超级势垒二极管

这是一种整流二极管，具有肖特基二极管的低正向电压降和P-N结二极管的浪涌处理能力和低反向漏电流。它被设计用于高功率、快速开关和低损耗应用。超级势垒整流器是下一代整流器，其正向电压比肖特基二极管更低。

15. 法拉第二极管

在这种类型的二极管中，它在半导体的两材料结处产生热量，热量从一个端子流向另一个端子。这种热量的流动仅在一个方向上进行，与电流流动的方向相同。

这种热量是由于少数载流子复合产生的电荷而产生的。这种二极管主要用于制冷和加热应用。这种类型的二极管被用作热电制冷的传感器和热机。

16. 晶体二极管（Crystal Diode）

也称为“猫须”，是一种点接触二极管。其工作依赖于半导体晶体与接触点之间的接触压力。

在这种二极管中，存在一根金属丝，它被压在半导体晶体上。在这种二极管中，半导体晶体作为阴极，金属丝作为阳极。这些二极管已过时，主要用于微波接收器和检测器。

应用：

• 晶体二极管整流器
• 晶体二极管检测器
• 晶体收音机接收器

17. 雪崩二极管

这是一种基于雪崩击穿原理工作的被动元件。它在反向偏置条件下工作。由于P-N结在反向偏置时产生的电离作用，会产生大电流。

这些二极管被特别设计为在特定的反向电压下发生击穿，以防止损坏。雪崩二极管的符号如下所示：

雪崩二极管用途：

• 射频噪声生成：它作为天线分析仪桥和白噪声发生器的射频源。
• 用于无线电设备以及硬件随机数生成器。
• 微波频率生成：在这种情况下，二极管作为负电阻器件。
• 单光子雪崩探测器：这些是用于低光强应用的高增益光子探测器。

18. 可控硅整流器

它有三个端子：阳极、阴极和门极。它几乎等同于肖克莱二极管。正如其名称所示，它主要用于电路中施加小电压时的控制目的。可控硅整流器的符号如下所示：

工作模式：

• 正向阻断模式（关闭状态）：在这种情况下，J1和J3正向偏置，J2反向偏置。它在击穿电压以下提供高电阻，因此被认为是关闭状态。
• 正向导通模式（开启状态）：通过增加阳极和阴极的电压或在门极施加正脉冲，我们可以将其打开。关闭的唯一方法是减少流经它的电流。
• 反向阻断模式（关闭状态）：SCR阻断反向电压被称为不对称SCR。主要用于电流源逆变器。

19. 真空二极管

真空二极管由两个电极组成，分别作为阳极和阴极。阴极由钨制成，向阳极发射电子。电子流动方向始终是从阴极到阳极。因此，它就像一个开关。

如果阴极涂覆氧化物材料，则电子发射能力较高。阳极在某些情况下表面粗糙，以减少二极管中的温度。二极管仅在阳极相对于阴极为正时导通。符号如下图所示：

20. PIN二极管

普通P-N结二极管的改进版本是PIN二极管。在PIN二极管中，不需要掺杂。在P区和N区之间插入了本征材料，即没有载流子的材料，从而增加了耗尽层的面积。

当我们施加正向偏置电压时，空穴和电子被推入本征层。在某个时刻，由于这种高注入水平，电场也会通过本征材料传导。这个电场使载流子从两个区域流动。PIN二极管的符号如下所示：

PIN二极管应用：

• 射频开关：PIN二极管用于信号和组件选择。例如，在低相位噪声振荡器中，PIN二极管作为范围切换电感器。
• 衰减器：它在桥式T衰减器中用作桥接和并联电阻。
• 光电探测器：它检测X射线和伽马射线光子。

21. 点接触器件

使用金或钨丝作为点接触，通过高电流产生PN结区域。在连接到金属板的导线边缘产生一个小的PN结区域，如图所示。

在正向方向上，其操作相当类似，但在反向偏置条件下，导线像绝缘体一样工作。由于这个绝缘体位于两个电极之间，二极管像电容器一样工作。一般来说，电容器会阻断直流电流，但在高频下交流电流可以在电路中流动。因此，这些器件用于检测高频信号。

22. 龚二极管

龚二极管仅使用N型半导体材料制造。两个N型材料的耗尽区非常薄。当电路中的电压增加时，电流也会增加。在达到一定电压水平后，电流会呈指数下降，从而表现出负微分电阻。

它有两个电极，分别是砷化镓和磷化铟。因此，它具有负微分电阻。它也被称为转移电子器件。它产生微波射频信号，因此主要用于微波射频设备。它也可以用作放大器