电路设计与制作（含活页式实训工单） 课件 项目1 任务3 二极管的使用

项目1电路基础元件的使用

任务3二极管的使用任务描述电路设计中会用到很多二极管，本任务帮助读者了解二极管的原理，掌握二极管的基本参数，包括最大反向电压、最大正向电流、正向压降等，帮助读者学习不同种类二极管在电路中的作用和应用场景。通过实验方式，实际搭建并测试二极管电路的效果，加深对二极管使用的理解和掌握能力。知识储备

一、二极管概述人们在1884年就发现二极真空管具有整流特性和爱迪生效应，当时主要使用多结晶半导体制作二极管。随着技术的提升，目前二极管多用单结晶半导体材料生产，主要是硅或锗，其中，硅材料具有高耐热性，且不易损坏，所以硅材料应用更多。一、二极管概述普通整流二极管是由P型半导体和N型半导体构成PN结形式。二极管有极性之分，其中P型半导体所引出的电极为正极，N型半导体所引出的电极为负极，其结构和电路图符号如图1-35所示。

（a）二极管模式图（b）二极管记号图一、二极管概述二极管两极都为杂质半导体，主要成分为硅或锗晶体，但掺入的杂质元素不同。N型半导体主要掺入的杂质为磷或锑元素，其具有高电子浓度，通过自由电子实现导电功能；P型半导体主要掺入的杂质为硼或铟元素，含有较高浓度的“空穴”（类似正电荷），可实现导电。

知识补充在正常情况下，PN结是一个开路状态。但当把PN结用直流电源连接时，会出现PN结正向偏置和反向偏置两种情况。在正向偏置下，PN结内部会出现电子注入P区和空穴注入N区的现象，导致PN结的电阻降低；而在反向偏置下，PN结内部的电荷分布会产生调制，导致PN结的电阻变大。

一、二极管概述二极管由于PN结的存在，具有整流作用，相当于一个电流的单向开关，即电流只能从正极流向负极，而不能反方向流入，如图1-36所示。

（a）顺向（b）反向一、二极管概述1N4148就是一种典型的整流二极管，其正向最大工作电流可达75mA，正向导通时其压降只有大约0.7V；而其反向峰值耐压为100V，只要其反向电压低于该值，则均能有效截止电流。如图1-37所示，就是其玻璃封装的直插型号。该二极管有两个引脚，标有黑色圆环的一端代表负极，另一端则为正极，常用于继电器续流、隔离等，适用于小功率电路。“1N”表示器件为二极管，代表1个PN结，“4148”则表示型号。

二、二极管分类二极管种类众多，外形各异，封装方法也不尽相同。总体来说，二极管可以从以下5个方面进行分类。1. 按频率分类按频率分类是最基本的分类方法，根据不同的二极管特性，可分为整流二极管、开关二极管、肖特基势垒二极管、齐纳二极管和用于高频带的高频二极管，如图1-38所示。其中，恒压二极管主要用于保护电路，但随着电路的精密化和微细化要求的提高，目前更常用高性能的瞬态电压抑制二极管作为保护元件。2. 按结构分类目前，根据二极管的结构，二极管可分为平面形和台面形，如图1-39所示。（a）平面形

（b）台面型图1-39二极管构造2. 按结构分类平面型是半导体构造最常用的方法，类似于“凹”型，在硅基板上形成氧化膜，然后中间开孔，扩散杂质，如图1-39（a）所示。台面型具有高耐压的特性，类似于“凸”型，这使得逆电压容易增大，逆电流也增大，因此多用于整流二极管，如图1-39(b)所示。2. 按结构分类按二极管的结构分类如图1-40所示。3. 按正向电流分类该方法主要根据二极管正向电流的大小进行分类，若正向电流小于1A，则称为小信号二极管，否则，称为中功率/大功率二极管（如图1-41所示）。4. 按集成度分类根据是否将多个二极管进行集聚，主要分为二极管和二极管阵列（如图1-42所示）。5. 按形状分类该方法主要是根据实际封装的形状进行分类，主要分为插脚型和贴片型。直插型二极管如图左所示。贴片型二极管如图右所示。二、二极管分类二极管类型很多，无论是直插还是贴片，都有多种形态封装，很难仅从形状判断元件是否为二极管，读者可查阅相关资料做进一步的了解。三、常见二极管类型1.整流二极管整流二极管的结构和符号如图1-46所示。整流二极管用于电流整流，可对电源的输入端起到整流作用，容易获得1A以上、400V/600V的高耐压。

1.整流二极管整流二极管可对商用频率的交流电进行整流，其目的是将交流电转为直流电，从而获得高电压、高电流。根据不同的使用频率、条件和转换效率，整流二极管可用于制作低正向电压、低噪等产品。整流二极管的作用如图1-47所示。

1.整流二极管在常见的单相桥式整流电路中，四个整流二极管被连接成一个桥式结构，可以实现更高效的整流，如图1-48所示。

2.开关二极管开关二极管的结构和符号如图1-49所示。

2.开关二极管开关二极管可用于设备的开关，只有向该二极管施加正向电压时，才有电流，否则电流将无法通过，如图1-50所示。该类二极管从导通状态转为完全关闭状态所需的时间短，即反向恢复时间短。一般来说，关闭设备元件是无法瞬间停止的，会有反向电流流通，漏电电流越大，对设备元件也越易产生损耗。因此，反向恢复时间越短，越能实现低损耗、高速开关。

2.开关二极管

2.开关二极管需要注意的是，整流二极管和开关二极管之间具有较大差异，具体如图1-51所示。图中蓝色曲线为开关二极管的特性曲线，黑色曲线则是整流二极管的曲线，可以看到两种二极管反向恢复时间的差异，开关二极管的反向恢复时间极短。

3.肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）的结构和符号如图1-52所示。

3.肖特基势垒二极管与一般二极管不同，肖特基势垒二极管将金属与半导体结合来发挥其特性，有正向电压低、开关迅速的优点。根据使用的金属不同，肖特基势垒二极管可用于制造低正向电压型、低漏电流型产品。但其漏电流大，易引起热失控，即当正向电流变大时，肖特基势垒二极管会发热，从而致使漏电流IR变大，环境温度上升。若热设计不合理，发热速度大于散热速度，肖特基势垒二极管会持续发热，漏电流也持续增加，最终损坏元件，如图1-53所示。

3.肖特基势垒二极管当电流通过时，普通二极管会产生0.7-1.7V的电压降，但是肖特基势垒二极管的电压降仅为0.15-0.45V，大大提升了系统效率。同样地，特基二极管与一般整流二极管之间也存在差异，具体如图1-54所示。

3.肖特基势垒二极管但是，肖特基势垒二极管与一般整流二极管最大的差异在于反向恢复时间。一般整流二极管的时间为几百纳秒，即使是高速二极管，也会低于100纳秒，同时会产生干扰噪声。而小信号的肖特基势垒二极管的切换时间约为几十皮秒，大容量的特殊肖特基势垒二极管也在皮秒级别，因此可称肖特基势垒二极管没有反向恢复时间，无反相电流问题，可立即切换。

4.齐纳（恒压）二极管齐纳二极管（ZenerDiode）的结构和符号如图1-55所示。

4.齐纳（恒压）二极管齐纳二极管又称恒压二极管，顾名思义，恒压二极管主要用于恒定电压，尽管电流变化，但是电压不变，可用于保护元件，避免集成电路芯片因浪涌电流和静电而造成损坏。与一般二极管不同的是，齐纳二极管是反向使用的，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)，具体工作方式如图1-56所示。

5.TVS二极管TVS二极管又称瞬态抑制二极管，即当电路在瞬间受到高能量冲击的时候，能吸收瞬间大电流和高电压钳位，从而保护电路或设备。因此，其具有浪涌吸收能力，且响应十分迅速，可达亚纳秒级。

5.TVS二极管根据不同的电路，TVS二极管的使用也不相同。TVS二极管可分为单向或双向，前者常用于直流电路，后者多用于交流电路。将需要保护的电路与该二极管并联，若瞬时电压超过正常工作电压，TVS二极管会向瞬时电流提供超低电阻通路，从而避免设备的损坏，这种现象称为雪崩效用。由此可见，TVS二极管适用于对静电释放（ESD）敏感的电路以及过压电路，如图1-57所示，为起到保护电路作用，单向TVS管在使用时，其极性要与电源输入极性需相反。TVS有双向和单向的，符号也有所不同，如图1-58所示。

5.TVS二极管

5.TVS二极管需要注意的是，TVS二极管与稳压二极管有以下相同点：（1）符号封装。二者的电路符号类似，封装也差异不大，有时甚至难以分辨；（2）电路接法。二者都是反向接入电路，根据PN结的雪崩效应，均有反向击穿的临界电压，从而起到稳压作用。

5.TVS二极管但是二者之间又存在如下不同点：（1）稳压方式。稳压二极管主要是将输入电压固定，而TVS二极管则更注重于防止瞬间高压对电路造成的影响。（2）响应时间。稳压二极管对相应时间无要求，更关注稳压值。但是TVS二极管由于需要抑制瞬时的高能量，因此要求在短时间内响应，以吸收能量，保护电路；（3）功率大小。常见的稳压二极管的功率大多为1W、2W等，主要由其耐热能力决定，否则二极管会过于发烫。而TVS二极管更注重于瞬时的功率，即面对瞬间的高电压和高电流，同样需要高功率，但其维持的时间只需很短。

6.发光二极管发光二极管又称为LED，最早使用氮化镓制作了蓝色LED，随着技术的发展，白色LED也被制造出来。同样地，LED是由P型半导体和N型半导体结合而成的，N型半导体带有负电子，P型则带有正电的“空穴”。当施加正向电压时，电子和空穴会结合产生光能量，如图1-59所示。相比将电能转为热能再转为光能，LED直接将电能转为光能，具有更高的效率。6.发光二极管根据不同的用途，可选择灯泡型（引线型）和芯片型（表面贴装型）的LED，如图1-60所示。6.发光二极管目前，市场上有多种颜色的LED可供选择，如图1-61所示，其中白色LED在照明等领域多有应用，其价格也较高。不同颜色LED的电路符号是相同的，如图1-62所示。

图1-61各种色的LED实物图1-62LED符号6.发光二极管LED的直径不尽相同