二极管是啥都不知道？还当什么电子工程师，此文满足我的好奇心！

小伙伴们，大家好！我是小马哥。昨天和几个朋友一起吃饭，聊天过程中说到了二极管，旁边一妹子突然来了一句，二极管是啥，在做的几位顿时语噻，支支吾吾：灯泡？LED？发光管？反正傻傻说不清楚，其中还有一位是学电子的，说起二极管，大家都想起这个吧。

发光二极管在我们生活中是比较常见的，比如说：商业的走字灯，交通灯，LED屏幕，LED灯泡等等。二极管是一种用锗或者硅半导体材料做成的，半导体材料导电性能在常温下介于导体和绝缘体之间，一百多年前就有这个东西了，是半导体器件家族中的元老了。

发光二极管只是二极管其中之一，还有许多不同用途的二极管：整流二极管、稳压二极管、光电二极管、开关二极管等。整流二极管在我们生活中比较常见，都用在交流转直流的电路中：手机充电器，电脑充电器，电动车充电器等等。

上面说到的那些二极管它们都有一个共同的性能，单向导电性，就是说电流只能从二极管的阳极进去，负极出去，反过来就不行了。为什么呢？二极管中有个叫PN结的东西，就是它阻止了电流逆流。接下来小马哥就给小伙伴们讲讲PN 结。

自然界中的物质，按照不同的导电性能分为了导体、半导体和绝缘体，半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。

常用的半导体材料有四价硅和锗（zhě）。什么是四价啊，就是最外层有四个电子。纯净的半导体又称为本征半导体，其导电能力较差，不能直接用来制造半导体器件，在本征半导体一边中用扩散工艺掺入三价元素（硼），另一边掺入五价元素（磷），就是把原来少量的硅原子或者锗原子替代了。

三价元素（硼），最外层只有三个电子，然而硅和锗有外层有四个电子，少了一个怎么办呀？那就形成了空穴，这个就是P型半导体。于是，P型半导体就成为了含空穴浓度较高的半导体。

五价元素（磷）有五个电子，多一个怎么办？多出的一个电子几乎不受束缚，它就自由了，叫它自由电子，这个就是N型半导体。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体。

P型半导体和N型半导体结合后，P区内空穴和N区内自由电子多称为多子，P区内自由电子和N区内空穴几乎为零称为少子，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。

由于P区的空穴浓度比N区高，空穴就往N区扩散，而N区的自由电子浓度比P区高，自由电子往P区扩散，就像一滴墨水滴在清水中，墨水本身浓度高，就往周围扩散，这就是扩散运动，P区的空穴和N区的自由电子就可能相遇，然后复合。什么是复合啊，把空穴比作房子，房子里面要住人啊，这时候自由电子就比作人了，然后他们就结合成一体了。

P区和N区里面的杂质离子不能任意移动，为啥呀？因为杂质离子被周围的硅原子或者锗原子束缚了。在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，在这个区域内，多子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了。

P区和N区里面的杂质离子相互作用，N区杂质离子带正电荷，P区杂质离子带负电荷，在空间电荷区形成了内电场，扩散运动的进行使空间电荷区变宽，内电场也变强了。

这个内电场一方面阻止了扩散运动的进行，扩散就不容易进行下去；另一方面使空穴（少子）从N区往P区漂移，自由电子从P区往N区漂移，这个漂移可不是汽车漂移，是受N区高电势，P区低电势的内电场影响产生漂移，叫做少子漂移。

慢慢的空间电荷区就稳定了。总结来说多子运动叫做扩散运动，少子运动就是漂移运动，当两种运动达到动态平衡就产生了PN结。在PN结加上相应的电级引线和管壳，就构成了半导体二极管。由P区引出的电极成为了正极，由N区引出的电极成为了负极。

当PN结加正向导通电压就是把P区引脚加电源正极，N区引脚连接电源负极。电流方向由P区流向N区和PN 结内部的内电场相反，当电压大于内电场电压时，外部的电源抵消了其内电场。

内电场抵消了，有利于扩散运动的进行，空间电荷区慢慢变成了P区和N区，当空间电荷区越来越薄，直到最薄的时候这时候会形成一个扩散电流，这时候二极管也就导通了，这时候的电压称为导通电压。

反之把P区引脚加电源负极，N区引脚连接电源正极，这时候电流流动的方向和内电场的方向相同，增强了内电场使得空间电荷区变宽，空穴会被拉向P区的方向，电子会被拉向N区的方向，从而阻止了扩散运动，形成了反向漏电流，由于电流非常小，这就是截止状态。

反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁，这时候的电压成为击穿电压，这时候二极管就没用了。

二极管加正向偏置电压，死区OA区，由于正向电压比较小，二极管不导通，几乎没有电流，呈高阻状态，此时二极管两端的电压为死区电压，硅二极管为0.5V（锗管为0.1v），当正向电压高于一定的数值后，二极管中的电流随着电压的升高而增大，二极管导通，这时候的电压称为导通电压，也叫门槛电压。

硅管导通电压为0.6V（锗管为0.2v），导通时二极管两端的电压保持不变，硅管0.7V（锗管为0.3v），这时候称为正向压降。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，PN结掺杂不同的化合物发出的光也不同，比如说镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等。然后加上引脚，用环氧树脂封装起来，通上正向电压发光二极管就这样发光了。

稳压二极管利用了二极管反向击穿的特性，稳压二极管都是串联在电路中，当稳压二极管被击穿，尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压上下。

在接二极管还要注意正负极，一般看外观来说，长引脚为正极，短引脚为负极，有些二极管的表面会有图形符号用万用表也可以测，把万用表调到二极管档，红黑表笔分别接二极管的两端，若此时万用表的读数小于1，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极。若读数为“1”，则黑表笔一端为正极。

好了二极管PN结介绍完了，由于篇幅有限，至于二极管为什么会发出不同颜色的光，还能不停的闪来闪去等等咱们下一期再介绍！

二极管选型规范（仅供参考）

1、 二极管发展状态及选型原则

1.1 二极管产品行业发展状态

（1）信号二极管的发展趋势：

1）表贴化：小信号二极管插件封装基本淘汰，全部都是表贴封装

2）小型化：SOT23向SOT323、SOT523、SOD52、SOD923、0402封装演进

3）平引脚：翼型引脚和弯角引脚向平引脚切换，散热和通流性能更优

另外，小型化发展还有两种趋势，即CSP（Chip ScalePackage）封装和QFN（Quad Flat No-lead Packge）封装。2者相比较而言，由于CSP封装是芯片级封装，与QFN相比具有如下几个优点：

1）具有小的寄生参数，对于RF应用有更优异的表现

2）高的封装可靠性，能支持至少3次加工返工

3）由于封装较小，更加能节约PCB面积

（2）功率二极管的发展趋势：

SMX封装：

通流能力增强：SMA通流能力达到2A；SMB通流能力到达4A；SMC通流能力达到5A；

引脚优化：弯引角演进为直引脚，散热机器稳定性更强

DPAK/D2PAK：对于200-400V整流二极管需求，可以选用此类封装器件高度扁平化，另外可以选用SMPC封装，通流能力更强。

TO-220/TO-247：

对于600V以上的二极管需求，主流推荐选用TO-220/TO-247封装

插件封装：

目前功率二极管推荐以TO-22和TO-247封装为优选封装

1.2 选用原则

二极管物料分类

表1 二极管分类

二极管类型

用途

应用场景

PIN二极管

调频调相。开关

射频电路

变容二极管

调频，高配电路匹配

调制解调电路

快恢复二极管

整流、续流

AC-AC、AC-DC

整流二极管

整流

AC-DC

肖特基二极管

整流、续流、开关

AC-AC、AC-DC

开关二极管

开关

开关电路

桥堆

整流

AC-DC

稳压管

稳压

稳压电路

瞬态抑制二极管/晶闸管

瞬态电压保护、ESD保护

保护电路

PIN二极管

微波开关利用PIN管在直流正-反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性,实现了控制微波信号通道转换作用. PIN 二极管的直流伏安特性和PN结二极管是一样的，但是在微波频段却有根本的差别。由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生。而不是由微波电流瞬时值产生，所以其对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定，正偏时阻值小，接近于短路，反偏时阻值大，接近于开路。因此PIN 二极对微波信号不产生非线性整流作用，这是和一般二极管的根本区别，所以它很适合于做微波控制器件。

因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。

普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管。正因为有本征(Intrinsic)层的存在，PIN 二极管应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RF 开关和RF保护电路，也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。

选用时主要考虑到PIN二极管射频特性参数与实际电路匹配，选择时可选择SOT、SOD等通用标准封装；另外Infineon将逐步退出二极管市场，新选型不予考虑。

变容二极管

选用时主要考虑偏压范围以及相应的容值，在使用时所提供的电压范围对应的变容比应满足要求。对于频率发生器还要求在此电压范围内的电容变化线性要好。另外电压的变化不能超过器件的最大重复工作电压

快恢复二极管

1）选用时主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。

2）反向击穿电压VBR与反向重复工作电压VRWM的选择

一般情况下，VRWM=80%-85%VBR，对于VRWM的选择，通常要求VRWM不小于3倍的线路的工作电压

3）新选型禁止选用SMA/B/C封装，推荐选用SMA/B/C-FL（直引脚表贴封装），插件优选TO-220/TO237等封装，轴向插装的禁止选用

4）最大平均正向电路IO、热阻Rjc、最高节温TjM的选择

对于半导体器件来说，使用时产生的结温与器件的可靠性有密切的关系，一般情况下，结温每升高10-12摄氏度，器件的失效率要增加一倍。因此，在器件的选型时，应尽量选用热阻小，允许结温高的器件；应选择通过相同正向电流测得温升最小的器件。

整流二极管

选用时主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。普遍串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可，禁止选用Openjuction工艺的二极管，，禁止选择轴向插装的二极管

肖特基二极管

选用时主要考虑最大整流电流、最大反向工作电流、封装、抗浪涌电流，优选表贴小型化封装，禁止选用轴向插装的二极管。

其它选项原则可以参考1501C快恢复二极管的选型

开关二极管

1）选用时主要考虑正向额定电流、反向重复工作电压、正向压降及开发过程中的损耗等参数

2）最大平均正向电流IO、热阻RJC、最高结温TJM的选择

对于半导体器件来说，使用时产生的结温与器件的可靠性有密切的关系，一般情况下，结温每升高10-12摄氏度，器件的失效率要增加一倍。因此，在器件的选型时，应尽量选用热阻小，允许结温高的器件；应选择通过相同正向电流测得温升最小的器件。

3）反向击穿电压VBR与反向重复工作电压VRWM的选择

一般情况下，VRWM=80%-85%VBR，对于VRWM的选择，通常要求VRWM不小于3倍的线路的工作电压

4）正向压降VF与反向恢复时间Trr的选择

对于开关二极管，影响二极管导通/截止（开关）速度的关键是由于非平衡载流子存储效应引起的反向恢复时间的存在。为了提高二极管的开关速度，人们制造能高速导通与关断的二极管。除了对二极管图形进行优化设计外，还在工艺中采用掺金等措施，引入深能级杂质，降低少子寿命，提高二极管的开关速度。

SiC二极管

1）SiC二极管比较成熟的产品有600V（650V）和1200V档次，1700V SiC也在逐步推向市场，600V（650V）主要推荐选用DPAK封装，1200V推荐选用TO-220或者TO-237

2）最早的SiC二极管是纯肖特基结构的，其优点是Vf值比较低，但是抗浪涌能力很差，器件长期可靠性风险高，后续SiC主流厂家Cree等陆续推出JBS（Junction Barrier Schottky）结构的SiC二极管，可以显著提高抗浪涌能力，提高器件长期可靠性能。特别是在1200V SiC选型时，要特别注意器件的抗浪涌性能是否满足产品设计需求。目前拥有JBS结构的厂家主要有Wolfspeed（Cree）、Infinenon、Rohm（2016年底推出的产品）

稳压二极管

1）在可能的情况下，应选择小微分电阻的器件

2）在可能的情况下，选择低温度系数的器件，但不主张选用低温度系数的稳压二极管

3）设计时，应考虑电压的容差，即电压的变化范围应尽可能的大

硅瞬态保护器件

1）电压选择：TVS管的最大钳位电压VCMAX不大于电路的最大允许安全电压，最大反向工作电压VRWM不大于电路的最大工作电压，一般可选择VRWM略大于电路工作电压。

2）瞬态功率（电流）的选择：额定的最大脉冲功率必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。在选择用于保护的TVS管时，设计人员要计算回路中的脉冲时间（如RC回路的脉冲时间tp大约等于R*C），以确定选用的TVS管的脉冲功率。TVS管的峰值脉冲功率与脉冲持续时间有一定的关系，脉冲持续时间越大，峰值脉冲功率越小，反之则越大。

3）选用TVS管作为数据信号线的保护时，要考虑TVS管结电容对信号波形的影响，应选用小结电容器件。另外也不应单独地强调减小电容，小电容的器件有一部分是以牺牲浪涌功率来获得的，在选用时应在结电容与浪涌功率两者间综合考虑。

2. 二极选型关键要素

2.1. 额定电流

额定整流电流IF指二极管长期运行时，根据运行温升折算出来的平均电流值。目前最大功率整流二极管的IF值可达1000A。

2.2. 最大平均整流电流Io

最大平均整流电流IO：在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。折算设计时非常重要的值。

2.3. 最大浪涌电流IFSM

运行流过的过量的正向电流。不是正常的电流，而是瞬间电流，这个值相当大。

2.4. 最大反向峰值电压VRM

即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前最高的VRM值可达几千伏。

2.5. 最大反向电压VR

上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压的值。用于直流电流，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。

2.6. 最高工作频率fM

由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千Hz。

2.7. 反向恢复时间Trr

当正向工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。

2.8. 最大功率P

二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。最大功率P为功率的最大值。具体讲就是加载二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。

2.9. 反向饱和漏电流IR

指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。在常温下，硅管的IR为nA（10-9A）级，锗管的IR为mA（10-6A）级

2.10. 降额（结温降额）

降额可以提高产品可靠性，延长使用寿命，根据温度降低10℃寿命增加一倍的理论，下面列出了不同额定结温的管子最小降额结温数据。

表2 二极管降额

额定值TjM

125℃

150℃

175℃

200℃

降额后可使用的TjM

110℃

135℃

160℃

185℃

2.11. 安规

在选型阶段应该考虑到器件是否通过了安规认证，主要应该考虑功率器件。一般为各国广泛接受的安规认证类型有UL（北美）、CSA（加拿大）、TUV（德国）、VDE等

2.11. 可靠性设计

正确选用器件及器件周边的线路设计、机械设计和热设计等来控制器件在整机中的工作条件，防止各种不适当的应力或者操作给器件带来损伤，从而最大限度地发挥器件的固有可靠性。

2.11. 容差设计

设计单板时，应放宽器件的参数允许变化的范围（包括制造容差、温度漂移、时间漂移），以保证器件的参数在一定范围内变化时，单板能正常工作。

2.11. 禁止选用封装

禁止选用轴向插装的二极管封装、禁止选用Open-junction二极管。

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