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技術(shù)資料 / Data

二極管基礎(chǔ)知識

2013-7-23 0:39:02 科瑞芯

                                                                                                        二極管基礎(chǔ)知識


一、根據(jù)構(gòu)造分類
半導(dǎo)體二極管主要是依靠PN 結(jié)而工作的。與PN 結(jié)不可分割的點(diǎn)接觸型和肖特基型,也被列入一般的二極管的范圍內(nèi)。包括這兩種型號在內(nèi),根據(jù)PN 結(jié)構(gòu)造面的特點(diǎn),把晶體二極管分類如下:
1、點(diǎn)接觸型二極管
點(diǎn)接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后,再通過電流法而形成的。因此,其PN 結(jié)的靜電容量小,適用于高頻電路。但是,與面結(jié)型相比較,點(diǎn)接觸型二極管正向特性和反向特性都差,因此,不能使用于大電流和整流。因?yàn)闃?gòu)造簡單,所以價格便宜。對于小信號的檢波、整流、調(diào)制、混頻和限幅等一般用途而言,它是應(yīng)用范圍較廣的類型。
2、鍵型二極管
鍵型二極管是在鍺或硅的單晶片上熔接或銀的細(xì)絲而形成的。其特性介于點(diǎn)接觸型二極管和合金型二極管之間。與點(diǎn)接觸型相比較,雖然鍵型二極管的PN 結(jié)電容量稍有增加,但正向特性特別優(yōu)良。多作開關(guān)用,有時也被應(yīng)用于檢波和電源整流(不大于50mA)。在鍵型二極管中,熔接金絲的二極管有時被稱金鍵型,熔接銀絲的二極管有時被稱為銀鍵型。
3、合金型二極管
在 N 型鍺或硅的單晶片上,通過合金銦、鋁等金屬的方法制作PN 結(jié)而形成的。正向電壓降小,適于大電流整流。因其PN 結(jié)反向時靜電容量大,所以不適于高頻檢波和高頻整流。
4、擴(kuò)散型二極管
在高溫的P 型雜質(zhì)氣體中,加熱N 型鍺或硅的單晶片,使單晶片表面的一部變成P型,以此法PN 結(jié)。因PN 結(jié)正向電壓降小,適用于大電流整流。最近,使用大電流整流器的主流已由硅合金型轉(zhuǎn)移到硅擴(kuò)散型。
5、臺面型二極管
PN 結(jié)的制作方法雖然與擴(kuò)散型相同,但是,只保留PN 結(jié)及其必要的部分,把不必要的部分用藥品腐蝕掉。其剩余的部分便呈現(xiàn)出臺面形,因而得名。初期生產(chǎn)的臺面型,是對半導(dǎo)體材料使用擴(kuò)散法而制成的。因此,又把這種臺面型稱為擴(kuò)散臺面型。對于這一類型來說,似乎大電流整流用的產(chǎn)品型號很少,而小電流開關(guān)用的產(chǎn)品型號卻很多。
6、平面型二極管
在半導(dǎo)體單晶片(主要地是N 型硅單晶片)上,擴(kuò)散P 型雜質(zhì),利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用,在N 型硅單晶片上僅選擇性地擴(kuò)散一部分而形成的PN 結(jié)。因此,不需要為調(diào)整PN 結(jié)面積的藥品腐蝕作用。由于半導(dǎo)體表面被制作得平整,故而得名。并且,PN 結(jié)合的表面,因被氧化膜覆蓋,所以公認(rèn)為是穩(wěn)定性好和壽命長的類型。最初,對于被使用的半導(dǎo)體材料是采用外延法形成的,故又把平面型稱為外延平面型。對平面型二極管而言,似乎使用于大電流整流用的型號很少,而作小電流開關(guān)用的型號則很多。
7、合金擴(kuò)散型二極管
它是合金型的一種。合金材料是容易被擴(kuò)散的材料。把難以制作的材料通過巧妙地?fù)脚潆s質(zhì),就能與合金一起過擴(kuò)散,以便在已經(jīng)形成的PN 結(jié)中獲得雜質(zhì)的恰當(dāng)?shù)臐舛确植。此法適用于制造高靈敏度的變?nèi)荻䴓O管。
8、外延型二極管
用外延面長的過程制造PN 結(jié)而形成的二極管。制造時需要非常高超的技術(shù)。因能隨意地控制雜質(zhì)的不同濃度的分布,故適宜于制造高靈敏度的變?nèi)荻䴓O管。
9、肖特基二極管
基本原理是:在金屬(例如鉛)和半導(dǎo)體(N 型硅片)的接觸面上,用已形成的肖特基來阻擋反向電壓。肖特基與PN 結(jié)的整流作用原理有根本性的差異。其耐壓程度只有40V 左右。其特長是:開關(guān)速度非?欤悍聪蚧謴(fù)時間trr 特別地短。因此,能制作開關(guān)二極和低壓大電流整流二極管。


二、根據(jù)用途分類
1、檢波用二極管
就原理而言,從輸入信號中取出調(diào)制信號是檢波,以整流電流的大。100mA)作為界線通常把輸出電流小于100mA 的叫檢波。鍺材料點(diǎn)接觸型、工作頻率可達(dá)400MHz,正向壓降小,結(jié)電容小,檢波效率高,頻率特性好,為2AP 型。類似點(diǎn)觸型那樣檢波用的二極管,除用于檢波外,還能夠用于限幅、削波、調(diào)制、混頻、開關(guān)等電路。也有為調(diào)頻檢波專用的特性一致性好的兩只二極管組合件。
2、整流用二極管
就原理而言,從輸入交流中得到輸出的直流是整流。以整流電流的大。100mA)作為界線通常把輸出電流大于100mA 的叫整流。面結(jié)型,工作頻率小于KHz,反向電壓從25 伏至3000 伏分A~X 共22 檔。分類如下:①硅半導(dǎo)體整流二極管2CZ 型、②硅橋式整流器QL 型、③用于電視機(jī)高壓硅堆工作頻率近100KHz 的2CLG 型。
3、限幅用二極管
大多數(shù)二極管能作為限幅使用。也有象保護(hù)儀表用和高頻齊納管那樣的專用限幅二極管。為了使這些二極管具有特別強(qiáng)的限制尖銳振幅的作用,通常使用硅材料制造的二極管。
也有這樣的組件出售:依據(jù)限制電壓需要,把若干個必要的整流二極管串聯(lián)起來形成一個整體。
4、調(diào)制用二極管
通常指的是環(huán)形調(diào)制專用的二極管。就是正向特性一致性好的四個二極管的組合件。即使其它變?nèi)荻䴓O管也有調(diào)制用途,但它們通常是直接作為調(diào)頻用。
5、混頻用二極管
使用二極管混頻方式時,在500~10,000Hz 的頻率范圍內(nèi),多采用肖特基型和點(diǎn)接觸型二極管。
6、放大用二極管
用二極管放大,大致有依靠隧道二極管和體效應(yīng)二極管那樣的負(fù)阻性器件的放大,以及用變?nèi)荻䴓O管的參量放大。因此,放大用二極管通常是指隧道二極管、體效應(yīng)二極管和變?nèi)荻䴓O管。
7、開關(guān)用二極管
有在小電流下(10mA 程度)使用的邏輯運(yùn)算和在數(shù)百毫安下使用的磁芯激勵用開關(guān)二極管。小電流的開關(guān)二極管通常有點(diǎn)接觸型和鍵型等二極管,也有在高溫下還可能工作的硅擴(kuò)散型、臺面型和平面型二極管。開關(guān)二極管的特長是開關(guān)速度快。而肖特基型二極管的開關(guān)時間特短,因而是理想的開關(guān)二極管。2AK 型點(diǎn)接觸為中速開關(guān)電路用;2CK型平面接觸為高速開關(guān)電路用;用于開關(guān)、限幅、鉗位或檢波等電路;肖特基(SBD)硅大電流開關(guān),正向壓降小,速度快、效率高。
8、變?nèi)荻䴓O管
用于自動頻率控制(AFC)和調(diào)諧用的小功率二極管稱變?nèi)荻䴓O管。日本廠商方面也有其它許多叫法。通過施加反向電壓, 使其 PN 結(jié)的靜電容量發(fā)生變化。因此,被使用于自動頻率控制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。通常,雖然是采用硅的擴(kuò)散型二極管,但是也可采用合金擴(kuò)散型、外延結(jié)合型、雙重擴(kuò)散型等特殊制作的二極管,因?yàn)檫@些二極管對于電壓而言,其靜電容量的變化率特別大。結(jié)電容隨反向電壓VR 變化,取代可變電容,用作調(diào)諧回路、振蕩電路、鎖相環(huán)路,常用于電視機(jī)高頻頭的頻道轉(zhuǎn)換和調(diào)諧電路,多以硅材料制作。
9、頻率倍增用二極管
對二極管的頻率倍增作用而言,有依靠變?nèi)荻䴓O管的頻率倍增和依靠階躍(即急變)二極管的頻率倍增。頻率倍增用的變?nèi)荻䴓O管稱為可變電抗器,可變電抗器雖然和自動頻率控制用的變?nèi)荻䴓O管的工作原理相同,但電抗器的構(gòu)造卻能承受大功率。階躍二極管又被稱為階躍恢復(fù)二極管,從導(dǎo)通切換到關(guān)閉時的反向恢復(fù)時間trr 短,因此,其特長是急速地變成關(guān)閉的轉(zhuǎn)移時間顯著地短。如果對階躍二極管施加正弦波,那么,因tt(轉(zhuǎn)移時間)短,所以輸出波形急驟地被夾斷,故能產(chǎn)生很多高頻諧波。
10、穩(wěn)壓二極管
是代替穩(wěn)壓電子二極管的產(chǎn)品。被制作成為硅的擴(kuò)散型或合金型。是反向擊穿特性曲線急驟變化的二極管。作為控制電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓使用而制作的。二極管工作時的端電壓(又
稱齊納電壓)從3V 左右到150V,按每隔10%,能劃分成許多等級。在功率方面,也有從200mW 至100W 以上的產(chǎn)品。工作在反向擊穿狀態(tài),硅材料制作,動態(tài)電阻RZ 很小,一般為2CW 型;將兩個互補(bǔ)二極管反向串接以減少溫度系數(shù)則為2DW 型。
11、PIN 型二極管(PIN Diode)
這是在P 區(qū)和N 區(qū)之間夾一層本征半導(dǎo)體(或低濃度雜質(zhì)的半導(dǎo)體)構(gòu)造的晶體二極管。PIN 中的I 是"本征"意義的英文略語。當(dāng)其工作頻率超過100MHz 時,由于少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)和"本征"層中的渡越時間效應(yīng),其二極管失去整流作用而變成阻抗元件,并且,其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏時,
"本征"區(qū)的阻抗很高;在直流正向偏置時,由于載流子注入"本征"區(qū),而使"本征"區(qū)呈現(xiàn)出低阻抗?fàn)顟B(tài)。因此,可以把PIN 二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應(yīng)用于高頻開關(guān)(即微波開關(guān))、移相、調(diào)制、限幅等電路中。
12、雪崩二極管 (Avalanche Diode)
它是在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩的晶體管。產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理是欒的:利用雪崩擊穿對晶體注入載流子,因載流子渡越晶片需要一定的時間,所以其電流滯后于電壓,出現(xiàn)延遲時間,若適當(dāng)?shù)乜刂贫稍綍r間,那么,在電流和電壓關(guān)系上就會出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng),從而產(chǎn)生高頻振蕩。它常被應(yīng)用于微波領(lǐng)域的振蕩電路中。
13、江崎二極管(Tunnel Diode)
它是以隧道效應(yīng)電流為主要電流分量的晶體二極管。其基底材料是砷化鎵和鍺。其P型區(qū)的N 型區(qū)是高摻雜的(即高濃度雜質(zhì)的)。隧道電流由這些簡并態(tài)半導(dǎo)體的量子力學(xué)效應(yīng)所產(chǎn)生。發(fā)生隧道效應(yīng)具備如下三個條件:①費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶和滿帶內(nèi);②空間電荷層寬度必須很窄(0.01 微米以下);簡并半導(dǎo)體P 型區(qū)和N 型區(qū)中的空穴和電子在同一能級上有交疊的可能性。江崎二極管為雙端子有源器件。其主要參數(shù)有峰谷電流比(IP/PV),其中,下標(biāo)"P"代表"峰";而下標(biāo)"V"代表"谷"。江崎二極管可以被應(yīng)用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中(其工作頻率可達(dá)毫米波段),也可以被應(yīng)用于高速開關(guān)電路中。
14、快速關(guān)斷(階躍恢復(fù))二極管 (Step Recovary Diode)
它也是一種具有PN 結(jié)的二極管。其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是:在PN 結(jié)邊界處具有陡峭的雜質(zhì)分布區(qū),從而形成"自助電場"。由于PN 結(jié)在正向偏壓下,以少數(shù)載流子導(dǎo)電,并在PN 結(jié)附近具有電荷存貯效應(yīng),使其反向電流需要經(jīng)歷一個"存貯時間"后才能降至值(反向飽和電流值)。階躍恢復(fù)二極管的"自助電"縮短了存貯時間,使反向電流快速截止,并產(chǎn)生豐富的諧波分量。利用這些諧波分量可設(shè)計出梳狀頻譜發(fā)生電路?焖訇P(guān)斷(階躍恢復(fù))二極管用于脈沖和高次諧波電路中。
15、肖特基二極管(Schottky Barrier Diode)
它是具有肖特基特性的"金屬半導(dǎo)體結(jié)"的二極管。其正向起始電壓較低。其金屬層除材料外,還可以采用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導(dǎo)體材料采用硅或砷化鎵,多為N 型半導(dǎo)體。這種器件是由多數(shù)載流子導(dǎo)電的,所以,其反向飽和電流較以少數(shù)載流子導(dǎo)電的PN 結(jié)大得多。由于肖特基二極管中少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)甚微,所以其頻率響僅為RC 時間常數(shù)限制,因而,它是高頻和快速開關(guān)的理想器件。其工作頻率可達(dá)100GHz。并且,MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或發(fā)光二極管。
16、阻尼二極管
具有較高的反向工作電壓和峰值電流,正向壓降小,高頻高壓整流二極管,用在電視機(jī)行掃描電路作阻尼和升壓整流用。
17、瞬變電壓抑制二極管
TVP 管,對電路進(jìn)行快速過壓保護(hù),分雙極型和單極型兩種,按峰值功率(500W-5000W)和電壓(8.2V~200V)分類。
18、雙基極二極管(單結(jié)晶體管)
兩個基極,一個發(fā)射極的三端負(fù)阻器件,用于張馳振蕩電路,定時電壓讀出電路中,它具有頻率易調(diào)、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
19、發(fā)光二極管
用磷化鎵、磷砷化鎵材料制成,體積小,正向驅(qū)動發(fā)光。工作電壓低,工作電流小,發(fā)光均勻、壽命長、可發(fā)紅、黃、綠單色光。


三、根據(jù)特性分類
點(diǎn)接觸型二極管,按正向和反向特性分類如下。
1、一般用點(diǎn)接觸型二極管
這種二極管正如標(biāo)題所說的那樣,通常被使用于檢波和整流電路中,是正向和反向特性既不特別好,也不特別壞的中間產(chǎn)品。如:SD34、SD46、1N34A 等等屬于這一類。
2、高反向耐壓點(diǎn)接觸型二極管
是峰值反向電壓和直流反向電壓很高的產(chǎn)品。使用于高壓電路的檢波和整流。這種型號的二極管一般正向特性不太好或一般。在點(diǎn)接觸型鍺二極管中,有SD38、N38A、OA81 等等。這種鍺材料二極管,其耐壓受到限制。要求更高時有硅合金和擴(kuò)散型。
3、高反向電阻點(diǎn)接觸型二極管
正向電壓特性和一般用二極管相同。雖然其反方向耐壓也是特別地高,但反向電流小,因此其特長是反向電阻高。使用于高輸入電阻的電路和高阻負(fù)荷電阻的電路中,就鍺材料
高反向電阻型二極管而言,SD54、1N54A 等等屬于這類二極管。
4、高傳導(dǎo)點(diǎn)接觸型二極管
它與高反向電阻型相反。其反向特性盡管很差,但使正向電阻變得足夠小。對高傳導(dǎo)點(diǎn)接觸型二極管而言,有SD56、1N56A 等等。對高傳導(dǎo)鍵型二極管而言,能夠得到更優(yōu)良的特性。這類二極管,在負(fù)荷電阻特別低的情況下,整流效率較高。