哪個器件是半導體世界中非常簡單的？那一定是二極管，因為它只由一個PN結(jié)構(gòu)成，而其他半導體器件都有無數(shù)個PN結(jié)！

但千萬別小看這個"簡單"的器件——結(jié)構(gòu)簡單，絕不意味著用法簡單！在本次貿(mào)澤科普實驗室中，我們將通過一張經(jīng)典電路圖，搞清楚二極管的那些用法——

01二極管原理及特性

在探討二極管的各種應用之前，先回顧一下二極管的基本工作原理和特性。

將一個PN結(jié)加上相應的兩根外引線，然后用塑料、玻璃或鐵皮等材料做外殼封裝，就成為了簡單的二極管。根據(jù)所用材料不同，二極管可分為鍺管和硅管等。

圖1

關于PN結(jié)的介紹，在之前貿(mào)澤科普實驗室中，有詳細的介紹，可以移步這里：5分鐘動畫詳解：貿(mào)澤科普實驗室 | 據(jù)說這三個器件關系不一般

PN結(jié)的結(jié)構(gòu)讓二極管具有一個非常獨特的特性：只允許電流單向通過，也就是單向?qū)щ娦浴?/p>

圖2

1）正向偏置

給P區(qū)接電源正極、N區(qū)接負極時，當加的這個電壓小于某一數(shù)值(稱為死區(qū)電壓)時，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子運動的阻擋作用，這時二極管正向電流很小。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料有關，并受環(huán)境溫度影響。通常，硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺二極管的死區(qū)電壓約為0.1V。

當電壓超過死區(qū)電壓值時，外電場抵消了內(nèi)電場，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，二極管正向電阻變得很小。當二極管完全導通后，正向壓降基本維持不變，一般硅管為0.7V，鍺管為0.3V。

2）反向偏置

若電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)，外電場與內(nèi)建電場方向一致，使耗盡區(qū)變寬，電流幾乎為零。

3）擊穿

當反向電壓增加到某一數(shù)值后，反向電壓過大，耗盡區(qū)內(nèi)電場可能會強到讓價帶電子被“直接拉入”導帶，導致?lián)舸╇娏魍辉觯?a target="_blank">齊納擊穿、雪崩擊穿）。

下圖為二極管伏安特性曲線，展示二極管在不同偏置狀態(tài)下的導通/截止特性：

圖3：二極管伏安特性曲線

02二極管常用四大用途

二極管的單向?qū)щ娞匦?，讓它在電路中發(fā)揮著重要的作用，下面四種就是很常用的：

1）防反接：

在電路回路中，串聯(lián)一個二極管，是利用二極管的單向?qū)щ姷奶匦裕梢詫崿F(xiàn)非常簡單的低成本防反接功能電路，不過這個方案一般在小電流的場合中使用。

圖4：二極管電源防反接電路

2）整流：

整流同樣是利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流?a target="_blank">AC轉(zhuǎn)換為脈動直流電DC。核心原理是：正向偏置時導通，電流可通過；反向偏置時截止，電流被阻斷。用于整流的二極管一般就成為整流二極管。

1個二極管可以實現(xiàn)半波整流，正半周期通過，截去負半周期：

圖5

而4個二極管組成橋式整流，就可以實現(xiàn)全波整流了：

圖6

3）穩(wěn)壓

與整流功能相反，穩(wěn)壓利用的是二極管的反向擊穿特性，反接在電路中使用，用于此功能的二極管稱為穩(wěn)壓二極管。

圖7

當穩(wěn)壓二極管兩端加正向電壓大于正向?qū)妷簳r，穩(wěn)壓二極管處于正向?qū)顟B(tài)，有較小的正向電阻，正向特性和普通二極管基本相同，這時穩(wěn)壓二極管一般不用于穩(wěn)壓。

當穩(wěn)壓二極管兩端施加反向電壓時，在反向電壓低于擊穿電壓之前，只有極小的反向漏電流通過二極管，這時二極管處于反向截止狀態(tài)，相當于一個阻值很大的電阻，幾乎沒有電流通過。

當反向電壓增加到穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓時，二極管發(fā)生反向擊穿。這時，盡管電流在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓二極管兩端的電壓卻基本保持穩(wěn)定，實現(xiàn)穩(wěn)壓的效果。

4）瞬態(tài)過壓保護

二極管工作在反向擊穿區(qū)，還可以起到瞬態(tài)過電壓保護的作用，這類二極管叫做TVS管，與要保護的電路并聯(lián)使用。

在正常電壓情況下，TVS二極管具有高阻抗狀態(tài)，存在極低的漏電流，相當于開路，不會影響電路的正常工作。一旦出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓或電壓突升，超過TVS閾值電壓時，TVS二極管會迅速導通，將過高的電壓限制到安全范圍，從而保護后級電路不受損害。

圖8

除了上面四種功能的二極管之外，根據(jù)功能來說的話，二極管種類還有很多，比如：檢波二極管，對輸入信號幅值的極大值進行檢測，可以從高頻調(diào)制信號中提取低頻信息；續(xù)流二極管，通常和儲能元件一起使用，防止電路中電壓電流的突變，為反向電動勢提供耗電通路，起到平滑電流的作用；LED二極管，利用單向?qū)щ娦?，使用不同的半導體材料，發(fā)出不同顏色的光。

03TVS管vs穩(wěn)壓二極管，能否替換？

雖然都是利用反向擊穿工作的，但是TVS管屬于雪崩擊穿，穩(wěn)壓二極管屬于齊納擊穿。從功率上區(qū)別，穩(wěn)壓二極管功率是按照穩(wěn)態(tài)功率計算的，通常在5瓦以下，而TVS管的功率是按照脈沖峰值功率計算的，通常在幾百瓦到上千瓦。然后就是響應時間的不同，TVS管的響應時間一般在ps級別，而穩(wěn)壓二極管在ns級別。

TVS管和穩(wěn)壓二極管都是工作在擊穿區(qū)，TVS能否作為穩(wěn)壓管使用呢？

為了驗證這個問題，我們設計了一塊測試板，使用到的穩(wěn)壓管和TVS分別是SMA2Z5.1A和SMBJ5.0A。

圖9

用實驗驗證以下三種情況：

1）TVS正常測試

當輸入電壓超過TVS管擊穿電壓，TVS管擊穿，將電壓鉗位到擊穿電壓，實現(xiàn)過壓保護。

圖10

2）TVS管穩(wěn)壓測試

當輸入電壓超過TVS管擊穿電壓，TVS管擊穿，由于限流電阻，將電壓穩(wěn)定到TVS管的擊穿電壓。這時，TVS管看似可以穩(wěn)壓，但是穩(wěn)壓精度無法保證。

圖11

3）穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓測試

當輸入電壓超過穩(wěn)壓二極管的工作電壓，穩(wěn)壓二極管開始工作，此時穩(wěn)壓二極管兩端的電壓等于穩(wěn)壓二極管的工作電壓。

圖12

從實驗結(jié)果看，雖然它在一定范圍能鉗位電壓，但是它的穩(wěn)壓值是不準的，所以TVS管不能替換穩(wěn)壓二極管。在電源電路中，TVS管負責防止過電壓，穩(wěn)壓管則穩(wěn)定輸出電壓，它們更像一對默契搭檔。

好了，關于二極管的類型，用法以及TVS和穩(wěn)壓二極管的區(qū)別就講這么多了，歡迎大家在評論區(qū)繼續(xù)交流。