二极管的工作原理和四大用途-电子发烧友网

哪个器件是半导体世界中非常简单的？那一定是二极管，因为它只由一个PN结构成，而其他半导体器件都有无数个PN结！

但千万别小看这个"简单"的器件——结构简单，绝不意味着用法简单！在本次贸泽科普实验室中，我们将通过一张经典电路图，搞清楚二极管的那些用法——

01二极管原理及特性

在探讨二极管的各种应用之前，先回顾一下二极管的基本工作原理和特性。

将一个PN结加上相应的两根外引线，然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装，就成为了简单的二极管。根据所用材料不同，二极管可分为锗管和硅管等。

图1

关于PN结的介绍，在之前贸泽科普实验室中，有详细的介绍，可以移步这里：5分钟动画详解：贸泽科普实验室 | 据说这三个器件关系不一般

PN结的结构让二极管具有一个非常独特的特性：只允许电流单向通过，也就是单向导电性。

图2

1）正向偏置

给P区接电源正极、N区接负极时，当加的这个电压小于某一数值(称为死区电压)时，不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这时二极管正向电流很小。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。

当电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，一般硅管为0.7V，锗管为0.3V。

2）反向偏置

若电源正极接N区，负极接P区，外电场与内建电场方向一致，使耗尽区变宽，电流几乎为零。

3）击穿

当反向电压增加到某一数值后，反向电压过大，耗尽区内电场可能会强到让价带电子被“直接拉入”导带，导致击穿电流突增（齐纳击穿、雪崩击穿）。

下图为二极管伏安特性曲线，展示二极管在不同偏置状态下的导通/截止特性：

图3：二极管伏安特性曲线

02二极管常用四大用途

二极管的单向导电特性，让它在电路中发挥着重要的作用，下面四种就是很常用的：

1）防反接：

在电路回路中，串联一个二极管，是利用二极管的单向导电的特性，可以实现非常简单的低成本防反接功能电路，不过这个方案一般在小电流的场合中使用。

图4：二极管电源防反接电路

2）整流：

整流同样是利用二极管的单向导电性，将交流电AC转换为脉动直流电DC。核心原理是：正向偏置时导通，电流可通过；反向偏置时截止，电流被阻断。用于整流的二极管一般就成为整流二极管。

1个二极管可以实现半波整流，正半周期通过，截去负半周期：

图5

而4个二极管组成桥式整流，就可以实现全波整流了：

图6

3）稳压

与整流功能相反，稳压利用的是二极管的反向击穿特性，反接在电路中使用，用于此功能的二极管称为稳压二极管。

图7

当稳压二极管两端加正向电压大于正向导通电压时，稳压二极管处于正向导通状态，有较小的正向电阻，正向特性和普通二极管基本相同，这时稳压二极管一般不用于稳压。

当稳压二极管两端施加反向电压时，在反向电压低于击穿电压之前，只有极小的反向漏电流通过二极管，这时二极管处于反向截止状态，相当于一个阻值很大的电阻，几乎没有电流通过。

当反向电压增加到稳压二极管的击穿电压时，二极管发生反向击穿。这时，尽管电流在很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压却基本保持稳定，实现稳压的效果。

4）瞬态过压保护

二极管工作在反向击穿区，还可以起到瞬态过电压保护的作用，这类二极管叫做TVS管，与要保护的电路并联使用。

在正常电压情况下，TVS二极管具有高阻抗状态，存在极低的漏电流，相当于开路，不会影响电路的正常工作。一旦出现瞬态过电压或电压突升，超过TVS阈值电压时，TVS二极管会迅速导通，将过高的电压限制到安全范围，从而保护后级电路不受损害。

图8

除了上面四种功能的二极管之外，根据功能来说的话，二极管种类还有很多，比如：检波二极管，对输入信号幅值的极大值进行检测，可以从高频调制信号中提取低频信息；续流二极管，通常和储能元件一起使用，防止电路中电压电流的突变，为反向电动势提供耗电通路，起到平滑电流的作用；LED二极管，利用单向导电性，使用不同的半导体材料，发出不同颜色的光。

03TVS管vs稳压二极管，能否替换？

虽然都是利用反向击穿工作的，但是TVS管属于雪崩击穿，稳压二极管属于齐纳击穿。从功率上区别，稳压二极管功率是按照稳态功率计算的，通常在5瓦以下，而TVS管的功率是按照脉冲峰值功率计算的，通常在几百瓦到上千瓦。然后就是响应时间的不同，TVS管的响应时间一般在ps级别，而稳压二极管在ns级别。

TVS管和稳压二极管都是工作在击穿区，TVS能否作为稳压管使用呢？

为了验证这个问题，我们设计了一块测试板，使用到的稳压管和TVS分别是SMA2Z5.1A和SMBJ5.0A。