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二极管是最基本的半导体器件。一个 PN 结,单向导电,看似简单,但二极管家族庞大,不同类型的二极管特性各异、用途不同。整流、稳压、肖特基、快恢复、TVS、变容……选错了,电路要么不工作,要么烧器件。
01 一、二极管的基本原理 1.1 PN 结二极管由 P 型半导体和 N 型半导体结合而成,交界处形成 PN 结。 - .P 型:空穴多(正载流子)。
- .N 型:电子多(负载流子)。
- .PN 结:交界处形成耗尽层,有内建电场。
1.2 单向导电性- .正向偏置(P 接正、N 接负):耗尽层变薄,电流通过,二极管导通。硅管压降约 0.7V,锗管约 0.3V。
- .反向偏置(P 接负、N 接正):耗尽层变厚,几乎无电流,二极管截止。
1.3 伏安特性曲线- 正向:电压 < 导通阈值(0.7V),电流极小;超过阈值,电流急剧增大。
- 反向:电压 < 击穿电压,只有微小漏电流;超过击穿电压,反向电流急剧增大(击穿)。
1.4 关键参数- .正向压降(VF):导通时的电压降。
- .反向耐压(VR):长期承受的最大反向电压。
- .正向电流(IF):长期最大正向电流。
- .反向恢复时间(trr):从导通到截止的恢复时间。
- .结电容(Cj):影响高频特性。
- .功耗(PD):最大允许功耗。
02 二、整流二极管 2.1 原理与特点整流二极管利用单向导电性,把交流电变成直流电。 特点: - 正向压降约 0.7V(硅管)。
- 反向耐压高(几十到几千伏)。
- 正向电流大(几百 mA 到几百 A)。
- 反向恢复时间长(几 μs),速度慢。
- 适合低频(工频 50/60Hz)应用。
2.2 常见型号- .1N4001~1N4007:1A,耐压 50~1000V,最常用的通用整流二极管。
- .1N5400~1N5408:3A,耐压 50~1000V。
- .6A10:6A,耐压 1000V。
- .10A10:10A,耐压 1000V。
2.3 整流电路半波整流: 一个二极管,只利用正半周,效率低、纹波大。 全波整流(桥式): 四个二极管组成桥,正负半周都利用,效率高、纹波小。 桥堆: 四个二极管集成封装,常用如 KBP、GBJ、GBL 系列。 2.4 选型要点- .正向电流:≥ 实际电流的 1.5~2 倍。
- .反向耐压:≥ 交流峰值电压的 1.5~2 倍。
- 220VAC 整流:峰值 311V,选 1N4007(1000V)。
- 12VAC 整流:峰值 17V,选 1N4001(50V)足够。
- .封装:小电流用 SMA/DO-41,大电流用 SMB/SMC/桥堆。
- .浪涌电流:开机时电容充电,浪涌电流可达正常电流的 10 倍,二极管要能承受。
2.5 应用- .AC-DC 整流:电源适配器、开关电源前端。
- .极性保护:防电源反接(串联二极管)。
- .续流:感性负载断电续流(低频场合)。
- .隔离:多路电源或逻辑选择。
03 三、稳压二极管(齐纳二极管) 3.1 原理与特点稳压二极管利用反向击穿时电压恒定的特性来稳压。 与普通二极管不同,稳压二极管工作在反向击穿区。只要电流不超过限值,击穿是可逆的,不会损坏,且击穿电压稳定。 3.2 稳压特性- .稳压值(VZ):反向击穿电压(2.4V~200V)。
- .工作电流(IZ):稳压工作的电流范围(IZT ~ IZK)。
- IZT:额定工作电流。
- IZK:最小工作电流(低于此值不稳压)。
- IZM:最大工作电流(超过烧毁)。
- .动态电阻(ZZT):工作点附近电压变化/电流变化,越小稳压越好。
- .温度系数:
- VZ < 5V:负温度系数(温度升高,VZ 降低)。
- VZ > 5V:正温度系数。
- VZ ≈ 5V:温度系数接近零,最稳定。
3.3 稳压电路基本稳压电路:限流电阻 R + 稳压二极管 Vin → R → Vout(稳压管反向并联到地)稳压原理: - Vin 升高 → 稳压管电流增大 → R 上压降增大 → Vout 不变。
- Vin 降低 → 稳压管电流减小 → R 上压降减小 → Vout 不变。
- 负载电流变化 → 稳压管电流补偿 → Vout 不变。
限流电阻计算: R = (Vin_max - VZ) / (IZ + IL_min) 要保证: - Vin 最大时:稳压管电流不超过 IZM。
- Vin 最小时:稳压管电流不低于 IZK。
3.4 选型要点- .稳压值:按需要的输出电压选(3.3V、5V、12V 等)。
- .功率:P = VZ × IZM,常见 0.5W、1W、5W。
- .工作电流:要在 IZK 和 IZM 之间,留余量。
- .精度:普通 ±5%,精密 ±2% 或 ±1%。
- .温度系数:精密应用选 5V 附近的稳压管。
3.5 应用- .简单稳压:低电流、低精度稳压。
- .基准电压:ADC/DAC 基准(但精度不如基准源 IC)。
- .过压保护:稳压管钳位,保护后级。
- .电平偏移:拉高或拉低直流电平。
- .嵌位:限制信号幅度。
3.6 稳压管的局限- 精度有限(±5%),不如专用基准源。
- 负载电流变化大时稳压变差。
- 噪声较大。
- 大电流稳压效率低(限流电阻消耗大)。
精密基准用 TL431 或专用基准源(如 LM4040)更好。
04 四、肖特基二极管 4.1 原理与特点肖特基二极管由金属-半导体结构成(不是 PN 结),利用多数载流子导电。 特点: - .正向压降低:0.2~0.4V(比硅 PN 结的 0.7V 低很多)。
- .反向恢复时间极短:几乎没有反向恢复(多数载流子导电,无少数载流子存储)。
- .开关速度极快:适合高频。
- .反向漏电流较大:比普通二极管大。
- .反向耐压较低:通常 < 100V(高压肖特基可达 200V)。
4.2 与普通二极管对比[td]参数 | 普通整流管 | 肖特基管 | | 正向压降 | 0.7V | 0.2~0.4V | | 反向恢复时间 | μs 级 | ns 级(近零) | | 工作频率 | < 1kHz | > 1MHz | | 反向耐压 | 高(>1000V) | 低(<200V) | | 反向漏电流 | 小 | 较大 | | 成本 | 低 | 中 | 4.3 选型要点- .正向压降:低压供电选低压降型号。
- .正向电流:≥ 实际电流的 1.5 倍。
- .反向耐压:≥ 工作电压的 1.5~2 倍。
- .速度:高频应用选低 Qrr 型号。
- .封装:小电流用 SMA/SOD-123,大电流用 SMC/TO-252。
4.4 常见型号- .1N5817~1N5819:1A,20V/30V/40V,最常用低压肖特基。
- .SS14~SS19:1A,20V~90V,贴片 SMA。
- .SS24~SS29:2A,20V~90V,贴片 SMB。
- .SS34~SS39:3A,20V~90V,贴片 SMC。
- .MBR2045:20A,45V,大电流。
4.5 应用- .高频整流:开关电源输出整流(几十 kHz~几 MHz)。
- .续流二极管:DC-DC 异步整流的续流管。
- .极性保护:低压电路防反接(压降低、损耗小)。
- .太阳能板防倒灌:防止电池向太阳能板倒灌。
- .逻辑或:多电源选择(低压降)。
- .RF 检波:高频信号检波(点接触肖特基)。
4.6 肖特基在 DC-DC 中的关键作用异步 Buck 电路中,肖特基做续流二极管: - 低正向压降 → 减少续流损耗。
- 快速恢复 → 减少开关损耗。
- 提高效率。
但同步整流 Buck(用 MOS 管替代二极管)效率更高,低压大电流场合逐步替代肖特基。
05 五、快恢复二极管(FRD) 5.1 原理与特点快恢复二极管是 PN 结二极管,但通过掺杂工艺优化,使反向恢复时间大幅缩短。 特点: - 正向压降约 0.7V~1V(比肖特基高)。
- 反向恢复时间短(几十 ns ~ 几百 ns)。
- 反向耐压高(可达 1000V 以上)。
- 比普通整流管快,比肖特基慢,但耐压更高。
5.2 与肖特基对比[td]参数 | 肖特基 | 快恢复 | | 正向压降 | 0.2~0.4V | 0.7~1V | | 反向耐压 | 低(<200V) | 高(>1000V) | | 恢复时间 | 极快(ns) | 快(几十~几百ns) | | 应用 | 低压高频 | 高压高频 | 5.3 选型要点- .反向恢复时间:高频应用选 < 100ns。
- .耐压:高压场合选 600V/1000V 型号。
- .正向电流:≥ 实际 1.5 倍。
- .软恢复:软恢复比硬恢复 EMI 更好。
5.4 常见型号- .UF4001~UF4007:1A,50~1000V,超快恢复。
- .MUR160~MUR1100:1A,600~1000V。
- .BYV26:1A,400~800V。
- .ETH 系列:大功率快恢复。
5.5 应用- .PFC 整流:功率因数校正电路。
- .高频整流:开关电源高压整流。
- .续流:高压感性负载续流。
- .逆变电路:变频器、逆变器。
06 六、TVS 二极管(瞬态抑制) 6.1 原理与特点TVS 利用反向击穿特性,在极短时间内(ps 级)将瞬态过压钳位到安全值,保护后级电路。 特点: - 响应速度极快(ps 级)。
- 能吸收大功率瞬态脉冲。
- 正常工作时高阻抗(不影响电路)。
- 过压时低阻抗(钳位保护)。
6.2 关键参数- .工作电压(VRWM):正常工作的最高电压(不导通)。
- .击穿电压(VBR):开始击穿的电压。
- .钳位电压(VC):过压时钳位到的电压(被保护器件要能承受)。
- .峰值脉冲功率(PPPM):能吸收的瞬态功率(如 400W、600W、1500W)。
6.3 选型要点- .工作电压:VRWM ≥ 正常工作电压(留 10~20% 余量)。
- 3.3V 电路选 VRWM=3.5V~4V 的 TVS。
- 5V 电路选 VRWM=5.5V~6V 的 TVS。
- 12V 电路选 VRWM=13V~15V 的 TVS。
- .钳位电压:VC 要低于被保护器件的最大耐受电压。
- .功率:ESD 保护选 300~500W,浪涌保护选 1500W+。
- .方向:单向(直流)或双向(交流/差分信号)。
6.4 常见型号- .SMAJ 系列:400W,SMA 封装。
- .SMBJ 系列:600W,SMB 封装。
- .SMCJ 系列:1500W,SMC 封装。
- .ESD 保护:TVS 阵列(如 ESDA6V8SC5)。
6.5 应用- .ESD 保护:USB、HDMI、以太网等接口。
- .浪涌保护:电源入口防雷击/浪涌。
- .信号保护:传感器、通信接口。
- .继电器触点保护:抑制火花。
07 七、其他二极管 7.1 变容二极管原理: PN 结反偏时,结电容随反向电压变化(电压越大,电容越小)。 应用: 压控振荡器(VCO)、调谐电路、频率调制。 选型: 电容范围、Q 值、调谐线性度。 7.2 发光二极管(LED)原理: 正向导通时,电子空穴复合发光。 选型: 颜色(波长)、亮度、正向压降、视角、功率。 应用: 指示灯、显示屏、照明、光通信。 注意: 必须串联限流电阻。R = (Vcc - Vf) / If。 7.3 光电二极管原理: 光照 PN 结,产生光电流。 应用: 光传感器、光纤接收、红外接收、光电隔离。 7.4 肖特基势垒二极管(检波)原理: 点接触肖特基,极低结电容。 应用: RF 检波、混频、高速开关。 7.5 雪崩二极管原理: 工作在雪崩击穿区,利用雪崩效应。 应用: 微波振荡、过压保护。
08 八、选型决策流程 8.1 看用途选类型[td]用途 | 选什么二极管 | 典型型号 | | 工频整流 | 整流二极管 | 1N4007 | | 高频整流(低压) | 肖特基 | SS34 | | 高频整流(高压) | 快恢复 | UF4007 | | 简单稳压 | 稳压二极管 | 1N4733 | | 续流(低频) | 整流管 | 1N4007 | | 续流(高频) | 肖特基/快恢复 | SS34 | | ESD 保护 | TVS | SMAJ5.0A | | 浪涌保护 | TVS/压敏电阻 | SMCJ12 | | 防反接 | 肖特基 | SS14 | | 检波 | 肖特基势垒 | 1N5711 | 8.2 看参数选型号- .正向电流:≥ 实际 1.5~2 倍。
- .反向耐压:≥ 工作电压 1.5~2 倍。
- .正向压降:低压供电选肖特基。
- .恢复时间:高频选肖特基或快恢复。
- .功率:TVS 看峰值功率。
09 九、二极管选型通用原则 9.1 降额设计- 电压降额:耐压 ≥ 1.5~2 倍工作电压。
- 电流降额:额定 ≥ 1.5~2 倍工作电流。
- 功率降额:额定 ≥ 2 倍实际功耗。
- 温度降额:工作温度留 20~30℃ 余量。
9.2 频率匹配- 低频(< 1kHz):整流二极管。
- 中频(1kHz~100kHz):快恢复。
- 高频(> 100kHz):肖特基。
- 超高频(> GHz):检波肖特基。
9.3 压降选择- 压降敏感(低压、电池供电):肖特基(0.2~0.4V)。
- 压降不敏感(高压、市电):整流管/快恢复(0.7~1V)。
9.4 封装选择- 小电流:SOD-123、SMA。
- 中电流:SMB、SMC。
- 大电流:TO-252、TO-220。
- 桥式整流:桥堆(KBP、GBJ)。
10 十、常见问题 10.1 整流二极管可以当续流用吗?低频可以,高频不行。整流管反向恢复时间太长(μs 级),高频时来不及截止,会产生大反向电流,发热甚至烧毁。 10.2 稳压管可以当整流用吗?不可以。稳压管工作在反向击穿区,正向压降 0.7V,反向击穿电压是稳压值。如果当整流用,反向会被击穿(除非稳压值远大于工作电压)。 10.3 肖特基可以完全替代快恢复吗?低压场合可以,高压场合不行。肖特基耐压通常 < 200V,高压场合用快恢复。 10.4 TVS 和稳压管有什么区别?- TVS 响应更快(ps 级 vs μs 级),吸收功率更大。
- TVS 专为瞬态保护设计,稳压管用于持续稳压。
- TVS 钳位电压更低(保护效果更好)。
10.5 续流二极管选什么类型?- 低频(继电器、接触器):整流管(1N4007)。
- 中频(电机驱动):快恢复。
- 高频(DC-DC 开关电源):肖特基或快恢复。
11 十一、总结 二极管家族各成员的核心用途: [td]类型 | 核心特性 | 典型应用 | | 整流二极管 | 耐压高、电流大、速度慢 | 工频整流、极性保护 | | 稳压二极管 | 反向击穿稳压 | 简单稳压、基准、钳位 | | 肖特基二极管 | 低压降、速度快 | 高频整流、续流、防反接 | | 快恢复二极管 | 高耐压、速度快 | 高压高频整流、PFC | | TVS 二极管 | 极快响应、大功率 | ESD 保护、浪涌保护 | | 变容二极管 | 结电容可变 | 调谐、VCO | | LED | 正向发光 | 指示、照明、显示 | | 光电二极管 | 光生电流 | 光检测、光接收 |
选型核心思路: - .看用途:整流、稳压、续流、保护、检波……
- .看频率:低频用整流管,高频用肖特基/快恢复。
- .看电压:低压用肖特基,高压用快恢复。
- .看电流:留 1.5~2 倍余量。
- .看耐压:留 1.5~2 倍余量。
- .看封装:功率大用大封装。
二极管是最基本的半导体器件,理解了各类型的特性和应用场景,就能在各种电路中正确选型。. |