|
二极管是一种两端电子 元件，主要在一个方向上传导电流（不对称电导）；它在一个方向上具有低（理想情况下为零）电阻，而在另一个方向上具有高（理想情况下是无限）电阻。二极管真空管或热离子二极管是具有两个电极的真空管，一个加热的阴极和一个板，其中电子只能沿一个方向流动，从阴极到板。
硅二极管的特写视图。阳极在右侧；阴极位于左侧（标有黑色条带）。在两条引线之间可以看到方形硅晶体。 半导体二极管是当今最常用的类型，它是一块晶体半导体材料，其p-n 结连接到两个电气端子。半导体二极管是最早的半导体电子器件。德国物理学家费迪南德·布劳恩（Ferdinand Braun ）于1874年发现了晶体矿物和金属之间接触处的不对称导电性。今天，大多数二极管由硅制成，但也使用其他半导体材料，如砷化镓和锗。 在许多用途中，二极管用于将交流电转换为直流电的整流器、无线电接收器中的解调，甚至可以用作温度传感器。二极管的一个常见变体是发光二极管，它用作电子设备上的电照明和状态指示器。二极管可以与其他元件组合形成逻辑门。 二极管主要功能: 二极管最常见的功能是允许电流沿一个方向（称为二极管的正向）通过，同时阻止电流沿相反方向（反向）通过。因此，二极管可以被视为止回阀的电子版本。这种单向行为称为整流，用于将交流电(ac) 转换为直流电(dc)。整流器、二极管的形式可用于从无线电接收器中的无线电信号中提取调制等任务。
各种半导体二极管。底部：桥式整流器。在大多数二极管中，白色或黑色涂漆的带标识了当二极管导电时电子将流入的阴极。电子流动与传统电流流动相反。 然而，由于二极管的非线性电流-电压特性，二极管的行为可能比这种简单的开关动作更复杂。 半导体二极管只有在正向存在一定的阈值电压或切入电压时才开始导电（二极管被称为正向偏置的状态）。正向偏置二极管上的电压降仅随电流变化很小，并且是温度的函数；这种效应可以用作温度传感器或电压参考. 此外，当二极管两端的反向电压达到称为击穿电压的值时，二极管对反向电流的高电阻会突然下降到低电阻。 半导体二极管的电流-电压特性可以通过选择半导体材料和在制造过程中引入材料中的掺杂杂质来定制。这些技术用于制造执行许多不同功能的专用二极管。 例如，二极管用于调节电压（齐纳二极管），保护电路免受高压浪涌（雪崩二极管），电子调谐收音机和电视接收器（变容二极管），产生射频 振荡（隧道二极管） ,耿氏二极管,IMPATT 二极管），并产生光（发光二极管）。Tunnel、Gunn 和IMPATT 二极管表现出负电阻，这在微波和开关电路 中很有用。 真空二极管和半导体二极管均可用作散粒噪声发生器。 二极管的历史： 热离子（真空管）二极管和固态（半导体）二极管大约在1900年代初期分别开发，作为无线电接收器检测器。 直到1950年代，由于早期的点接触半导体二极管不太稳定，因此真空二极管更频繁地用于收音机。此外，大多数接收装置都有用于放大的真空管，可以很容易地将热电子二极管包含在管中（例如12SQ7双二极管三极管），并且真空管整流器和充气整流器能够处理一些高压/大电流整流任务优于半导体二极管（如硒整流器）当时可用。
无线电设备中用作整流器的大功率真空二极管 1873年，弗雷德里克·格思里 ( Frederick Guthrie )观察到，靠近验电器的接地的白热金属球会使带正电的验电器放电，但不会使带负电的验电器放电。 1880年，托马斯·爱迪生观察到灯泡中加热元件和未加热元件之间的单向电流，后来称为爱迪生效应，并获得了将该现象应用于直流 电压表的专利。 大约20年后，约翰·安布罗斯·弗莱明（马可尼公司的科学顾问和前爱迪生员工）意识到爱迪生效应可以用作无线电探测器。 Fleming于1904年11月16日在英国获得了第一个真正的热离子二极管Fleming 阀的专利（随后是1905年11月的美国专利803,684）。在整个真空管时代，几乎所有电子产品都使用了阀二极管，例如收音机、电视、音响系统和仪器仪表。由于硒整流器技术，它们从1940年代后期开始慢慢失去市场份额，然后在1960年代半导体二极管。今天，它们仍用于一些高功率应用，其承受瞬态电压的能力和稳健性使其比半导体设备具有优势，并且在乐器和发烧友应用中。 1874年，德国科学家卡尔·费迪南德·布劳恩 ( Karl Ferdinand Braun ) 发现了金属与矿物接触处的“单向传导” 。 印度科学家Jagadish Chandra Bose于1894年第一个使用晶体来探测无线电波。晶体探测器被Greenleaf Whittier Pickard开发成一种实用的无线电报设备，他发明了硅晶体探测器于1903年，并于1906年11月20日获得专利。其他实验者尝试了多种其他矿物作为探测器。这些早期整流器的开发人员不知道半导体原理。
DO7玻璃封装中的EFD108锗点接触二极管特写，显示了形成半导体结的尖锐金属线（猫晶须） 在1930年代对物理学的理解有所提高，在1930年代中期，贝尔电话实验室的研究人员认识到晶体探测器在微波技术中的应用潜力。贝尔实验室、西部电气、麻省理工学院、普渡大学和英国的研究人员在二战期间集中开发了点接触二极管（晶体整流器或晶体二极管），用于雷达。二战后，AT&T在其纵横交错的美国的微波塔中使用了这些，许多雷达装置甚至在21 世纪也使用它们。1946年，Sylvania 开始提供1N34晶体二极管。 在1950年代初期，结型二极管被开发出来。 二极管词源： 在他们发明的时候，不对称传导装置被称为整流器。1919年，也就是四极管发明的那一年，威廉·亨利·埃克尔斯（ William Henry Eccles ）从希腊语词根di（来自δ?）和ode（来自οδ??），意思是“路径”创造了二极管一词。然而，二极管这个词，以及三极管、四极管、五极管、六极管，已经被用作多路电报的术语。 尽管所有二极管都进行整流，但术语整流器通常用于用于电源应用的二极管，以便将它们与用于小信号电路的二极管区分开来。 真空管二极管： 热离子二极管是一种热离子阀装置，由密封的真空玻璃或金属外壳组成，外壳包含两个电极：阴极和极板。阴极要么是间接加热的，要么是直接加热的。如果使用间接加热，则在外壳中包含加热器。
在运行中，阴极被加热到大约800–1,000°C (1,470–1,830°F)的红热。直接加热的阴极由钨丝制成，由外部电压源通过的电流加热。间接加热的阴极由附近加热器的红外辐射加热，该加热器由镍铬丝制成，并由外部电压源提供电流。 阴极的工作温度使其将电子释放到真空中，这一过程称为热离子发射。阴极涂有碱土金属氧化物，例如钡和锶的氧化物。这些具有低功函数，这意味着它们比未涂覆的阴极更容易发射电子。未加热的板不发射电子；但能够吸收它们。 待整流的交流电压施加在阴极和极板之间。当极板电压相对于阴极为正时，极板静电吸引来自阴极的电子，因此电子电流通过管子从阴极流向极板。当极板电压相对于阴极为负时，极板不发射电子，因此没有电流从极板流向阴极。 点接触二极管： 点接触二极管是在1930年代开始开发的，脱离了早期的晶体探测器技术，现在通常用于 3 到 30GHz的范围内。 点接触二极管使用与半导体晶体接触的小直径金属线，并且是非焊接接触型或焊接接触型。非焊接触点结构利用肖特基势垒原理。金属侧是与半导体晶体接触的小直径导线的尖端。在焊接接触型中，在制造过程中，通过使相对较大的电流暂时通过器件，在金属点周围的其他 N 型晶体中形成一个小的 P 区。 点接触二极管通常表现出比结型二极管更低的电容、更高的正向电阻和更大的反向泄漏。 p-n 结二极管： p-n结二极管由半导体晶体制成，通常是硅，但也使用锗和砷化镓。向其中添加杂质以在一侧创建一个包含负电荷载流子（电子）的区域，称为n 型半导体，并在另一侧创建一个包含正电荷载流子（空穴）的区域，称为p 型半导体. 当 n 型和p 型材料连接在一起时，会发生从 n 侧到 p 侧的瞬时电子流动，从而在两者之间形成第三个区域，其中不存在电荷载流子。
这个区域称为耗尽区因为其中没有电荷载流子（既没有电子也没有空穴）。二极管的端子连接到 n 型和p 型区域。这两个区域之间的边界称为p-n 结，是二极管发生作用的地方。当P 侧（阳极）施加比 N 侧（阴极）足够高的电势时，它允许电子从 N 型侧流过耗尽区到 P 型侧。当反向施加电势时，结不允许电子沿相反方向流动，从某种意义上说，形成了一个电子止回阀。 肖特基二极管： 另一种结型二极管肖特基二极管是由金属-半导体结而不是 ap-n 结形成的，这样可以降低电容并提高开关速度。 电流-电压特性： 半导体二极管在电路中的行为由其电流-电压特性或 I-V 图（见下图）给出。曲线的形状由电荷载流子通过不同半导体之间的p-n 结处存在的所谓耗尽层或耗尽区的传输决定。首次创建 ap-n 结时，来自 N掺杂区域的导带（移动）电子扩散到 P掺杂区域有大量空穴（电子的空位）与电子“复合”的区域。当移动电子与空穴复合时，空穴和电子都消失，在 N 侧留下固定的带正电的供体（掺杂剂），在 P 侧留下带负电的受体（掺杂剂）。p-n 结周围的区域耗尽了电荷载流子，因此表现为绝缘体。 然而，耗尽区的宽度（称为耗尽宽度）不能无限制地增长。对于每个电子-空穴对复合，在 N 掺杂区留下一个带正电的掺杂剂离子，在 P 掺杂区产生一个带负电的掺杂剂离子。随着重组的进行并产生更多的离子，通过耗尽区产生的电场不断增加，从而减缓并最终停止重组。此时，耗尽区存在“内在”潜力。 反向偏差： 如果在二极管两端施加与内置电势相同极性的外部电压，则耗尽区将继续充当绝缘体，阻止任何显着的电流流动（除非通过，例如，光；见光电二极管）。这被称为反向偏置现象。 前向偏差： 然而，如果外部电压的极性与内置电位相反，复合可以再次进行，导致大量电流通过 p-n 结（即大量电子和空穴在结处复合）。对于硅二极管，内置电位约为 0.7V（锗为 0.3 V，肖特基为 0.2 V）。因此，如果施加的外部电压大于内置电压且与其相反，则电流将流动，并且二极管被称为“导通”，因为它已被赋予外部正向偏压。二极管通常被称为具有正向“阈值”电压，高于该电压导通，低于该导通停止。然而，这只是一个近似值，因为前向特性是平滑的（参见上面的 IV 图）。 二极管的I-V 特性可以通过四个工作区域来近似： 1、在非常大的反向偏压下，超过峰值反向电压或 PIV，会发生称为反向击穿的过程，导致电流大幅增加（即，大量电子和空穴在 p-n 结处产生并远离 p-n 结) 这通常会永久损坏设备。雪崩二极管是专门为这种方式设计的。在齐纳二极管中，PIV的概念不适用。齐纳二极管包含一个重掺杂的 p-n 结，允许电子从 p 型材料的价带隧穿到 n 型材料的导带，从而将反向电压“钳位”到已知值（称为齐纳电压)，并且不会发生雪崩。 然而，这两种器件都对它们在钳位反向电压区域所能承受的最大电流和功率有限制。此外，任何二极管的正向导通结束后，都会在短时间内出现反向电流。在反向电流停止之前，该器件无法达到其完全阻断能力。 2、对于小于 PIV的偏置，反向电流非常小。对于普通的 P-N 整流二极管，通过器件的反向电流在微安 (μA) 范围内非常低。然而，这取决于温度，并且在足够高的温度下，可以观察到大量的反向电流（mA 或更多）。还有一个微小的表面漏电流是由电子简单地绕过二极管引起的，就好像它是一个不完美的绝缘体一样。 3、在正向偏压较小的情况下，仅传导较小的正向电流，电流-电压曲线是符合理想二极管方程的指数曲线。有一个确定的正向电压，二极管开始显着导通。这称为拐点电压或切入电压，等于 pn 结的势垒电位。这是指数曲线的一个特征，并且在比此处显示的图表更压缩的当前尺度上显得更尖锐。 4、在较大的正向电流下，电流-电压曲线开始受体半导体的欧姆电阻支配。曲线不再是指数的，它渐近于一条斜率是体电阻的直线。该区域对于功率二极管尤为重要。二极管可以建模为与固定电阻串联的理想二极管。 在以额定电流工作的小型硅二极管中，电压降约为 0.6 至 0.7伏。其他二极管类型的值不同 -肖特基二极管的额定电压可低至 0.2 V，锗二极管的额定电压为 0.25 至 0.3 V，红色或蓝色发光二极管(LED)的值可分别为1.4V 和4.0V.在较高电流下，二极管的正向压降会增加。在全额定电流下，功率二极管的典型压降为1 V 至1.5 V。 半导体二极管的种类: 普通 (p-n) 二极管通常由掺杂的硅或锗制成。在开发硅功率整流二极管之前，使用的是氧化亚铜和后来的硒。它们的低效率需要施加更高的正向电压（通常每个“电池”为1.4至1.7V，堆叠多个电池以增加用于高压整流器的峰值反向电压额定值），并且需要大型散热器（通常是二极管金属基板的延伸），比相同电流额定值的后来的硅二极管要大得多。绝大多数二极管是CMOS 集成电路中的 p-n 二极管, 其中包括每个引脚两个二极管和许多其他内部二极管。 雪崩二极管： 这些是当反向偏压超过击穿电压时反向导通的二极管。它们在电气上与齐纳二极管非常相似（并且经常被错误地称为齐纳二极管），但通过不同的机制分解：雪崩效应. 当施加在 p-n 结上的反向电场引起电离波时，就会发生这种情况，让人联想到雪崩，从而产生大电流。雪崩二极管设计用于在明确定义的反向电压下击穿而不会被破坏。雪崩二极管（其反向击穿电压高于约 6.2 V）与齐纳二极管之间的区别在于前者的通道长度超过了电子的平均自由程，导致它们在通过通道的过程中发生许多碰撞。这两种类型之间唯一的实际区别是它们具有相反极性的温度系数。 恒流二极管： 这些实际上是JFET ，其栅极与源极短路，其功能类似于限压齐纳二极管的两端限流模拟。它们允许通过它们的电流上升到某个值，然后稳定在一个特定值。也称为CLD、恒流二极管、二极管接法晶体管或电流调节二极管。 晶体整流器或晶体二极管： 这些是点接触二极管。1N21 系列和其他系列用于雷达和微波接收器中的混频器和检测器应用。 1N34A 是晶体二极管的另一个例子。 耿氏二极管： 这些与隧道二极管相似，因为它们由具有负差分电阻区域的材料制成，例如 GaAs 或 InP 。通过适当的偏置，偶极子域形成并穿过二极管，从而可以构建高频微波 振荡器。 发光二极管(LED)： 在由直接带隙半导体（如砷化镓）形成的二极管中，穿过结的电荷载流子与另一侧的多数载流子复合时会发射光子。根据材料的不同，可能会产生从红外线到近紫外线的波长（或颜色） 。第一个 LED 是红色和黄色的，随着时间的推移，已经开发出更高频率的二极管。所有 LED 都会产生不相干的窄光谱光；“白色”LED实际上是带有黄色闪烁体的蓝色 LED涂层，或三个不同颜色的 LED的组合。LED 还可用作信号应用中的低效率光电二极管。LED 可以与同一封装中的光电二极管或光电晶体管配对，以形成光隔离器。 激光二极管： 当将类似LED的结构包含在通过抛光平行端面而形成的谐振腔中时，可以形成激光。激光二极管通常用于光存储设备和高速光通信。 热敏二极管： 该术语既用于传统的 p-n 二极管，用于监测温度，因为它们的正向电压随温度变化，也用于用于热电加热和冷却的Peltier 热泵。Peltier 热泵可能由半导体制成，虽然它们没有任何整流结，但它们使用 N 型和P 型半导体中电荷载流子的不同行为来移动热量。 光电二极管 所有半导体都会产生光载流子。这通常是一种不受欢迎的效果，因此大多数半导体都封装在阻光材料中。光电二极管旨在感应光（光电探测器），因此它们被封装在允许光通过的材料中，并且通常是 PIN（对光最敏感的二极管类型）。光电二极管可用于太阳能电池、光度测量或光通信。多个光电二极管可以封装在单个器件中，或者作为线性阵列或者作为二维阵列。这些阵列不应与电荷耦合器件混淆。 PIN二极管： PIN 二极管具有中央未掺杂或本征层，形成 p 型/本征/n 型结构。它们被用作射频开关和衰减器。它们还用作大容量电离辐射探测器和光电探测器。PIN二极管也用于电力电子，因为它们的中心层可以承受高压。此外，PIN 结构可以在许多功率半导体器件中找到，例如IGBT、功率MOSFET和晶闸管。 肖特基二极管： 肖特基二极管由金属到半导体触点构成。它们的正向电压降低于 p-n 结二极管。它们在大约1 mA的正向电流下的正向压降在 0.15 V 至 0.45 V的范围内，这使得它们可用于电压钳位应用和防止晶体管饱和。它们也可以用作低损耗整流器，尽管它们的反向漏电流通常高于其他二极管。 肖特基二极管是多数载流子器件，因此不会遭受使许多其他二极管减速的少数载流子存储问题，因此它们比 p-n 结二极管具有更快的反向恢复速度。它们还往往具有比 p-n 二极管低得多的结电容，这提供了高开关速度以及它们在高速电路和RF 设备（如开关模式电源、混频器和检测器）中的应用。 超级势垒二极管： 超级势垒二极管是一种整流二极管，它结合了肖特基二极管的低正向电压降和普通 p-n 结二极管的浪涌处理能力和低反向漏电流。 掺金二极管： 作为掺杂剂，金（或铂）充当复合中心，有助于少数载流子的快速复合。这允许二极管以更高的正向电压降为代价以信号频率工作。掺金二极管比其他 p-n 二极管快（但不如肖特基二极管快）。它们的反向电流泄漏也比肖特基二极管少（但不如其他 p-n 二极管）。 一个典型的例子是1N914。 折断或阶跃恢复二极管： 术语阶跃恢复与这些器件的反向恢复特性的形式有关。在正向电流通过SRD并且电流被中断或反向后，反向传导将非常突然地停止（如在阶跃波形中）。因此，SRD 可以通过电荷载流子的突然消失提供非常快速的电压转换。 稳压器或正向参考二极管： 稳定器一词是指一种特殊类型的二极管，具有极其稳定的正向电压特性。这些器件专为需要在宽电流范围内保证电压和在整个温度范围内高度稳定的低压稳定应用而设计。 瞬态电压抑制二极管(TVS)： 这些雪崩二极管专门设计用于保护其他半导体器件免受高压瞬变的影响。它们的 p-n 结具有比普通二极管大得多的横截面积，使它们能够将大电流传导至地而不会受到损坏。 隧道二极管或江崎二极管： 它们的工作区域显示出由量子隧穿引起的负电阻，允许放大信号和非常简单的双稳态电路。由于高载流子浓度，隧道二极管速度非常快，可用于低 (mK) 温度、高磁场和高辐射环境。由于这些特性，它们经常用于航天器。 变容二极管或变容二极管： 这些用作压控电容器。这些在 PLL（锁相环）和FLL（锁频环）电路中很重要，允许调谐电路（例如电视接收器中的电路）快速锁定频率。他们还在无线电的早期离散调谐中启用了可调谐振荡器，其中廉价且稳定但固定频率的晶体振荡器为压控振荡器提供了参考频率。 齐纳二极管： 这些可以在反向偏置（反向）中进行，正确地称为反向击穿二极管。这种效应称为齐纳击穿，发生在精确定义的电压下，允许二极管用作精密电压基准。齐纳二极管一词通俗地适用于几种类型的击穿二极管，但严格来说，齐纳二极管的击穿电压低于5 伏，而雪崩二极管用于高于该值的击穿电压。 在实际的电压基准电路中，齐纳二极管和开关二极管以相反方向串联连接，以平衡二极管的温度系数响应接近零。一些标记为高压齐纳二极管的设备实际上是雪崩二极管。两个（等效）齐纳二极管以相反的顺序串联在同一个封装中，构成瞬态吸收器（或Transorb，注册商标）。 |
