《模电想说爱你不容易》之无源器件篇：二极管，单向导电性的艺术

硬小妹：“李工，二极管具有单向导电性，施加反向电压时完全不导通吗？”

油条李：“那是理想的二极管！”

硬小妹：“非理想的二极管呢？”

油条李：“非理想的二极管也就是现实中的二极管，现实哪有这么绝对啊？！”

依稀记得大学校园学习模电课程的第一章就是半导体基础知识，让我们从微观方面了解了本征半导体和杂质半导体，N型半导体和P型半导体，电子与空穴，PN结等等，那无数的新名词和电子运动，日夜萦绕在心头，挥之不去，成为我们模电考试的恶梦！尽管这些微电子理论晦涩难懂，但它却是制造半导体元器件的基础，比如二极管就是根据PN结的特性制造的。二极管作为电子电路中常用的元器件，它有哪些特点和使用注意事项呢？下面我们一起学习一下吧！

一、二极管的分类

二极管的种类多种多样，根据不同的分类方式二极管可分为不同的类型：

1.根据安装方式分类可分为：表贴型二极管和引线型二极管；

2.根据正向电流大小分类可分为：小信号二极管和功率二极管；

3.根据制造工艺结构不同分类可分为：平面型二极管和台面型二极管；

4.根据特性的不同分类可分为：整流二极管、开关二极管、肖特基二极管、齐纳二极管、高频二极管，其中，整流二极管又可分为一般整流二极管、快速整流二极管和快速恢复二极管；高频二极管又可分为检波二极管、波段开关二极管和PIN二极管。

尽管二极管有多种类型，但根据频率分类可分为两大类：整流二极管和高频二极管，因此，除了高频二极管之外，其他类型的二极管都是在一般整流二极管特性基础上改进而来的！

二、二极管常见的类型

在电路中不同二极管种类的作用是不同的，我们要根据实际需求选择合适的二极管类型，常见的二极管类型主要有以下几种：

1.一般整流二极管。整流二极管的主要结构组成是PN结，其作用是将交流信号转变为直流信号，该过程需要配合大容量的电容实现；通过整流二极管组成整流桥，能够实现对交流信号的半波整流或者全波整流。一般整流二极管既具有耐压值高、正向电流大的优点，又有正向电压大、反向恢复时间长的缺点，其常用的型号有1N4007、RL207、1N5408、5A10等等，常见的应用电路如下图所示：

图源|ROHM官网

2.肖特基二极管。肖特基二极管的结构组成是使用某种金属与N型半导体结作为二极管，而不是PN结，这种结叫做肖特基结。相比于整流二极管，肖特基二极管具有正向电压小、开关速度快的优点，同时也具有耐压值低、反向漏电流大的缺点，常用于DC-DC转换器电路、AC-DC转换器的二次侧电路等等，其常用的型号有BAT54、1N5819、SS24、SS34、SS54等等。肖特基二极管和整流二极管的特性对比曲线如下图所示：

图源|ROHM官网

3.开关二极管。此种类型的二极管具有开关的功能，施加正向电压时二极管导通，且导通电阻较小，一般为几十欧姆至几百欧姆；施加反向电压时二极管截止，且导通电阻较大，一般为10兆欧以上。开关二极管具有反向恢复时间短、结电容小的特点，因此常用在高频信号电路当中，其常用的型号有2AK系列、2CK系列、1N4148、BAV21W、2CK27系列、2CK29系列、FR系列等等。

图源|ROHM官网

4.快恢复二极管。一般整流二极管的反向恢复时间较长，达到几微秒至几十微秒，而快恢复二极管的反向恢复时间相比一般整流二极管缩短了100倍左右，达到了几十纳秒至几百纳秒；一般整流二极管常用于500Hz以下的低频信号电路当中，而快恢复二极管常用于几Khz至100Khz的高频信号电路当中。

5.齐纳二极管。齐纳二极管也称为稳压二极管，其原理利用的是PN结的反向特性，当施加反向电压超过一定电压值时，二极管两端的反向电压值恒定在一定范围之内，不再变化，该电压值称为击穿电压或者齐纳电压，利用该特性可应用于恒压源电路、参考电压电路等。使用时应注意齐纳二极管的电流较小，避免过流；齐纳二极管稳压的精度较低，不可应用于需要高精度基准源的电路当中。

6.高频二极管。高频二极管由电阻值高的I型半导体制成，具有引脚间电容小的特点；其在正向电压条件下具有可变电阻的特性，而在反向电压条件下具有电容的特性，因此高频二极管常用在高频信号开关、衰减器和AGC电路当中。

图源|ROHM官网

三、二极管常用的参数

我们在选择二极管型号的时候，要注意其各项参数的绝对最大额定值，不可超过规格书中的标称值且要降额使用，以免影响二极管的使用寿命。二极管常用的参数主要有以下几种：

1.二极管的符号。如下图所示，二极管的阳极用字母A表示，而阴极用字母K表示，那为什么阴极不用字母C表示呢？这是因为Cathode的发音首字母为K，于是后来将错就错，流传了下来。在二极管表面是有极性丝印的标识，该标识代表了二极管的阴极管脚方向。

图源|TOSHIBA官网

2.反向重复峰值电压（V_RRM）。该参数表征的是对二极管施加反向偏置电压时，二极管能够承受的反向电压的最大持续重复电压值,该值为峰峰值，如下图所示。在实际应用当中，二极管的工作电压需要等于或者小于该参数值，否则易造成二极管的击穿损坏。

图源|TSC

3.反向有效值电压（V_RMS）。该参数表征的是一个交流正弦波施加到负载端的波形的有效值，因此，V_{RMS =} 0.707 x V_RRM，在整流电路当中，我们应关注该值的大小。

4.周期平均正向电流（I_(AV)）。该参数表征的是在特定温度（室温25℃）条件下，二极管正向的最大持续平均电流。随着二极管流过的电流增大，其功率损耗也会增大，二极管温度会升高，因此在高温环境中，此参数应降额使用。二极管的最大功率与温度的关系如下图所示：

图源|TSC

5.浪涌峰值正向电流（I_FSM）。该参数表征的是在特定的温度（室温25℃）和特定的脉冲时间下，二极管能够承受的非重复性且保持单一的浪涌电流的大小。由于浪涌电流的时间较短，一般为毫秒级别，因此二极管的I_FSM值的大小远大于I_(AV)值。

6.正向电压（V_F）。该参数表征的是二极管流过正向电流I_(AV)时阳极和阴极之间的电压差的大小，当I_(AV)增大时，V_F会表现出一定的电阻态，即平均动态电阻rd，如下图所示，因此二极管的正向电压值V_F的值总是大于PN结的偏置电压V_T的，比如硅半导体二极管的V_F值为1.1V大于其硅PN结的偏置电压0.7V。

图源|TSC

7.反向电流（I_R）。该参数表征的是二极管在反向击穿电压（V_BR）条件下的阴极到阳极的电流大小，也称为漏电流，该参数一般为微安级别，越小越好，其大小会随着温度的升高而变大，因此，在低功耗产品当中，应注意温度对二极管I_R大小的影响。

8.反向恢复时间（Trr）。该参数表征的是二极管由导通状态切换到关断状态的时间大小，由于PN结中的载流子状态的切换需要时间，因此二极管由正向电压切换到反向电压时，二极管不能立即关断，而是需要一定的时间，该时间越小越好。

图源|TSC

9.结电容（C_j）。该参数表征的是二极管在特定的V_RMS电压下器件管脚两端的电容大小，该参数越小越好，特别是高频信号应用电路当中，应注意此参数的大小。

四、二极管的应用

在电子电路中，我们常见的二极管应用场景主要有以下几种：

1.防呆。在电源电路中，为防止人为无意的把电源正负线接反而导致电路板的损坏，可以在电源输入正极端串接入一个二极管，这样一来即使电源线接反也不会损坏板卡，此种方式简单、低成本，其缺点是存在一定的压降。

2.钳位。在信号处理电路中，利用二极管导通后其正向电压基本不变的特点，可以作为电路中限幅元件使用，使输入信号或者输出信号的幅值限定在一定电压范围之内，比如MCU芯片的GPIO管脚内部电路中一般具有两个钳位二极管，以避免异常信号损伤MCU。

3.续流。在DC-DC电源电路或者继电器等存在感性元件的电路中，通过二极管与感性元件构成电流回路，起到续流的作用。

4.开关。利用开关二极管的特性，可以组成简单的逻辑门电路、波形转换电路等等。

5.检波。利用检波二极管的特性，从高频信号中筛选出低频信号，此种二极管常见于收音机电路当中。

6.显示。能够发光的二极管称为LED，它能够发出不同颜色的光，可以用来指示系统不同的运行状态。

结语

二极管的功能强大且多样，已成为电子电路中不可或缺的元器件，它就像电路板间铁面无私的卫士，信号只能直行，不可逆行，兢兢业业地守护着它的领地，日复一日，总归英雄迟暮，于是，信号来回穿梭，无惧它的威严，终于，它决定关闭自己的领地大门，结束这电子世界的嘈杂，等待下一个轮回！