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二极管的工作原理和四大用途

高工
2025-07-28 11:44:00     打赏

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。

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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。

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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

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:

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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。

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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:

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图5

而4个二极管组成桥式整流,就可以实现全波整流了:

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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

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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。

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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。




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