神马文学网二极管知识
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/20 15:52:13
二极管的工作原理
晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抵消作用使载流子的扩散电流增加引起正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值发生载流子的倍增效应，产生大量电子空穴对，从而产生数值很大的反向击穿电流，这称为二极管的击穿现象。
二极管的导电特性
二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面介绍一下二极管的正向特性和反向特性。
1、正向特性
在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端、负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，流过二极管的正向电流十分微弱，此时二极管仍然不能导通。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为"门槛电压"，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能真正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），此电压称为二极管的"正向压降"。
2、反向特性
在电子电路中，二极管的正极接在低电位端、负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，二极管处于截止状态，这种连接方式称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为反向漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。
二极管的种类及特点
1、 按材料划分
按材料分，有锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管。它们虽然都由PN结构成，但由于材料不同，故性能也不尽相同。锗二极管的压降比硅二极管的压降小，锗管为0.15～0.3伏，硅管为0.6~0.7伏。锗二极管的反向饱和漏电流比硅二极管大，锗管一般为十到几百微安，而硅管在1微安以下。锗管耐高温性能远远不如硅管，锗管最高承受温度不超过100℃，而硅管可高达200℃。
2、 按管芯结构划分
按照管芯结构可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使金属丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个"PN结"。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的"PN结"面积较大，允许通过较大的正向电流（几安到几十安）和反向电压，性能较为稳定，主要用于把交流电变换成直流电的"整流"电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。
3、按用途划分
二极管按用途不同，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。
（1）、整流二极管。整流二极管主要用于整流电路中。它是利用PN结的单向导电性把交流电转变成脉动直流电。一般，它用硅材料做成面结合型，因此其结电容较大，但是其频率范围较窄且低，在3KHz以下。
（2）、稳压二极管。稳压二极管是一种齐纳二极管。当它反向击穿使反向电流突然增大时，管子两端的电压能基本保持不变。当反向电压小于击穿电压时，反向电流很小；当反向电压接近击穿电压时，反向电流急剧增大。当电流在较大范围内变化的过程中，管子两端的电压基本保持不变，从而起到稳定电压的作用。
（3）、开关二极管。开关二极管利用了二极管的单向导电特性。在PN结加上正向电压后，其导通电阻很小；而加上反向电压后截止，其电阻很大。因此，在电路中起到控制电流接通或关断的作用。开关二极管的开关时间为开通时间和反向恢复时间的总和。其中，开通时间是指开关二极管从截止到导通所需的时间；反向恢复时间是指导通到截止所需的时间。一般，开关二极管的开关速度是很快的，而其反向恢复时间又远远大于开通时间，故在规格书中给出的一般是反向恢复时间。硅开关二极管的反向恢复时间只有几个纳秒（ns），即10-9级秒；锗开关二极管的反向恢复时间要长一些，但也只有几百纳秒。开关二极管具有开、关速度快，体积小，可靠性强，使用寿命长等优点，可广泛应用于自动控制电路。
二极管的主要参数
1、 普通二极管的主要参数
（1）、最大整流电流Icm 。二极管长时间使用时允许通过PN结的最大正向电流值即为最大整流电流。使用时，通过二极管的最大电流不能超过此值，否则会使PN结的结温超过额定值（锗管为80℃，硅管为150℃）而烧毁。
（2）、最高反向工作电压URM 。二极管正常工作时所能承受的最高反向电压值即为最高反向工作电压。如果实际工作电压的峰值超过此值，PN结中的反向电流将会剧增而使二极管烧毁。一般，反向工作电压为反向击穿电压的1/2或2/3。
（3）、最大反向电流IRM 。最大反向电流是指在最高反向工作电压下所允许流过的反向电流。这个电流的大小，反映了二极管单向导电性能的好坏。最大反向电流越小，表明二极管的质量越好。
（4）、最高工作频率。最高工作频率是指保证二极管正常工作的最高频率。如果通过二极管的电流的频率大于该值，二极管将不能起到应有的作用。
2、稳压二极管的参数
因稳压二极管工作在反向击穿状态，故其有特定的参数。
（1）、稳定电压UZ 。稳定电压是指稳压管在正常工作条件下管子两端的电压。应注意，即使是同型号的稳压管，其稳定电压也是有一定差异的。例如5.1V 1/2W的稳压管UZ 在4.8～5.4伏之间。故在使用时，应根据稳压要求进行挑选。
（2）、稳定电流IZ和最大稳定电流IZ(MAX) 。稳压管工作在稳定电压UZ 时的工作电流称稳定电流IZ 。管子稳定工作时，不得超过的电流称最大稳定电流IZ(MAX) 。例如5.1V 1W的IZ 为49毫安，IZ(MAX) 小于178毫安。
（3）、电压温度系数αvz 。电压温度系数是指稳压管受温度变化影响的系数。稳压值高于6伏的稳压管具有正温度系数，即稳压值随温度升高略有上升；稳压值低于6伏的稳压管具有负温度系数，即稳压值随温度升高略有下降；而稳压值为6伏左右的稳压管的温度系数基本为零。
二极管可靠性试验方法
老化筛选的原理及作用是给电子元器件施加热的、电的、机械的或者多种结合的外部应力，模拟恶劣的工作环境，使它们内部的潜在故障加速暴露出来，然后进行电气参数测量，筛选剔除那些失效或变值的元器件，尽可能把早期失效消灭在正常使用之前。
老化筛选的指导思想是，经过老化筛选，有缺陷的元器件会失效，而优质品能够通过。这里必须注意实验方法正确和外加应力适当，否则，可能对参加筛选的元器件造成不必要的损伤。
目前我司使用的老化筛选项目有高温储存老化、高低温循环老化、高低温冲击老化和高温功率老化等。下面把各个试验方法作一简要介绍：
（1）、高温储存老化：把器件置于150℃的恒温箱内放置168小时，考虑到我司实际情况，目前放置时间为48小时。
（2）、高低温循环老化：把器件置于-55℃的低温中15分钟，然后置于25℃的环境中5分钟，再置于150℃的环境中15分钟，如此循环10次。
（3）、高低温冲击老化：把器件置于0℃的环境中5分钟，然后取出马上置于100℃的环境中5分钟，接着取出马上置于0℃的环境中5分钟，如此循环10次。
（4）、高温功率老化：对于普通整流管、开关管等施加80％的VR额定电压，然后置于125℃的环境中168小时，考虑到我司实际情况，目前是置于105℃的环境中48小时；对稳压管我司目前是施加66％的功率置于70℃的环境中48小时。
二极管的加速寿命试验
加速寿命试验是指采用加大应力的方法促使样品在短期内失效，以预测在正常工作条件或储存条件下的可靠性，但不改变受试样品的失效分布。
通过加速寿命试验可达到以下目的：
（1）、在较短时间里，对高可靠元器件的可靠性水平进行评估，可用外推法快速预测在规定条件下的失效率；
（2）、在较短时间内，对元器件可靠性设计、工艺改进和可靠性增长的效果进行评估；
（3）、在较短时间内，加速暴露元器件失效模式和机理，从而可正确地制定失效判据和筛选条件。
必须指出，元器件的电气规格参数指标与其性能稳定可靠是不同的概念，两者之间并没有直接的联系。规格参数良好的元器件，它的可靠性不一定高；相反，规格参数差一些的元器件，其可靠性也不一定低。电子元器件的大部分规格参数都可以通过仪表立即测量出来，但是它们的可靠性和稳定性却必须通过各种可靠性试验，或者大量（或长期）的使用之后才能判断出来。
电子元器件的失效率数据，可以通过对它的可靠性试验求得：
λ＝失效率＝失效数÷（试验器件的总数×运用时间）
失效率的常用单位是Fit（1Fit＝10-9/h），一百万个元器件运用1000h有1个失效，就叫做1Fit。失效率越低，说明元器件的可靠性越高。
二极管使用的一些注意事项
二极管应该按照极性接入电路，大部分情况下，应该使二极管的正极（或称阳极）接电路的高电位，而稳压二极管的负极（或称阴极）要接电源的正极，其正极接电源负极。
二极管正常工作需要一定的条件，如果工作条件超过允许的范围，则不能正常工作，甚至造成永久性的损坏。为使二极管能够长期稳定运行，必须注意下列事项：
（1）、切勿使电压、电流超过器件手册中规定的极限值，并应根据设计原则选取一定的裕量。
（2）、允许使用小功率电烙铁进行焊接，焊接时间应该小于3～5s，在焊接点接触型二极管时，要注意保证焊点与管芯之间有良好的散热。
（3）、玻璃封装的二极管引线的弯曲处距离管体不能太小，一般不少于2mm。
（4）、二极管的位置尽可能不要靠近电路中的发热元件。
（5）、用稳压管时应注意，二极管的反向电流不能无限增大，否则会导致二极管中的热量过高而烧毁。因此，稳压管在电路中一般需要串联限流电阻，以限制耗散功率。
晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抵消作用使载流子的扩散电流增加引起正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值发生载流子的倍增效应，产生大量电子空穴对，从而产生数值很大的反向击穿电流，这称为二极管的击穿现象。
二极管的导电特性
二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面介绍一下二极管的正向特性和反向特性。
1、正向特性
在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端、负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，流过二极管的正向电流十分微弱，此时二极管仍然不能导通。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为"门槛电压"，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能真正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），此电压称为二极管的"正向压降"。
2、反向特性
在电子电路中，二极管的正极接在低电位端、负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，二极管处于截止状态，这种连接方式称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为反向漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。
二极管的种类及特点
1、 按材料划分
按材料分，有锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管。它们虽然都由PN结构成，但由于材料不同，故性能也不尽相同。锗二极管的压降比硅二极管的压降小，锗管为0.15～0.3伏，硅管为0.6~0.7伏。锗二极管的反向饱和漏电流比硅二极管大，锗管一般为十到几百微安，而硅管在1微安以下。锗管耐高温性能远远不如硅管，锗管最高承受温度不超过100℃，而硅管可高达200℃。
2、 按管芯结构划分
按照管芯结构可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使金属丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个"PN结"。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的"PN结"面积较大，允许通过较大的正向电流（几安到几十安）和反向电压，性能较为稳定，主要用于把交流电变换成直流电的"整流"电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。
3、按用途划分
二极管按用途不同，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。
（1）、整流二极管。整流二极管主要用于整流电路中。它是利用PN结的单向导电性把交流电转变成脉动直流电。一般，它用硅材料做成面结合型，因此其结电容较大，但是其频率范围较窄且低，在3KHz以下。
（2）、稳压二极管。稳压二极管是一种齐纳二极管。当它反向击穿使反向电流突然增大时，管子两端的电压能基本保持不变。当反向电压小于击穿电压时，反向电流很小；当反向电压接近击穿电压时，反向电流急剧增大。当电流在较大范围内变化的过程中，管子两端的电压基本保持不变，从而起到稳定电压的作用。
（3）、开关二极管。开关二极管利用了二极管的单向导电特性。在PN结加上正向电压后，其导通电阻很小；而加上反向电压后截止，其电阻很大。因此，在电路中起到控制电流接通或关断的作用。开关二极管的开关时间为开通时间和反向恢复时间的总和。其中，开通时间是指开关二极管从截止到导通所需的时间；反向恢复时间是指导通到截止所需的时间。一般，开关二极管的开关速度是很快的，而其反向恢复时间又远远大于开通时间，故在规格书中给出的一般是反向恢复时间。硅开关二极管的反向恢复时间只有几个纳秒（ns），即10-9级秒；锗开关二极管的反向恢复时间要长一些，但也只有几百纳秒。开关二极管具有开、关速度快，体积小，可靠性强，使用寿命长等优点，可广泛应用于自动控制电路。
二极管的主要参数
1、 普通二极管的主要参数
（1）、最大整流电流Icm 。二极管长时间使用时允许通过PN结的最大正向电流值即为最大整流电流。使用时，通过二极管的最大电流不能超过此值，否则会使PN结的结温超过额定值（锗管为80℃，硅管为150℃）而烧毁。
（2）、最高反向工作电压URM 。二极管正常工作时所能承受的最高反向电压值即为最高反向工作电压。如果实际工作电压的峰值超过此值，PN结中的反向电流将会剧增而使二极管烧毁。一般，反向工作电压为反向击穿电压的1/2或2/3。
（3）、最大反向电流IRM 。最大反向电流是指在最高反向工作电压下所允许流过的反向电流。这个电流的大小，反映了二极管单向导电性能的好坏。最大反向电流越小，表明二极管的质量越好。
（4）、最高工作频率。最高工作频率是指保证二极管正常工作的最高频率。如果通过二极管的电流的频率大于该值，二极管将不能起到应有的作用。
2、稳压二极管的参数
因稳压二极管工作在反向击穿状态，故其有特定的参数。
（1）、稳定电压UZ 。稳定电压是指稳压管在正常工作条件下管子两端的电压。应注意，即使是同型号的稳压管，其稳定电压也是有一定差异的。例如5.1V 1/2W的稳压管UZ 在4.8～5.4伏之间。故在使用时，应根据稳压要求进行挑选。
（2）、稳定电流IZ和最大稳定电流IZ(MAX) 。稳压管工作在稳定电压UZ 时的工作电流称稳定电流IZ 。管子稳定工作时，不得超过的电流称最大稳定电流IZ(MAX) 。例如5.1V 1W的IZ 为49毫安，IZ(MAX) 小于178毫安。
（3）、电压温度系数αvz 。电压温度系数是指稳压管受温度变化影响的系数。稳压值高于6伏的稳压管具有正温度系数，即稳压值随温度升高略有上升；稳压值低于6伏的稳压管具有负温度系数，即稳压值随温度升高略有下降；而稳压值为6伏左右的稳压管的温度系数基本为零。
二极管可靠性试验方法
老化筛选的原理及作用是给电子元器件施加热的、电的、机械的或者多种结合的外部应力，模拟恶劣的工作环境，使它们内部的潜在故障加速暴露出来，然后进行电气参数测量，筛选剔除那些失效或变值的元器件，尽可能把早期失效消灭在正常使用之前。
老化筛选的指导思想是，经过老化筛选，有缺陷的元器件会失效，而优质品能够通过。这里必须注意实验方法正确和外加应力适当，否则，可能对参加筛选的元器件造成不必要的损伤。
目前我司使用的老化筛选项目有高温储存老化、高低温循环老化、高低温冲击老化和高温功率老化等。下面把各个试验方法作一简要介绍：
（1）、高温储存老化：把器件置于150℃的恒温箱内放置168小时，考虑到我司实际情况，目前放置时间为48小时。
（2）、高低温循环老化：把器件置于-55℃的低温中15分钟，然后置于25℃的环境中5分钟，再置于150℃的环境中15分钟，如此循环10次。
（3）、高低温冲击老化：把器件置于0℃的环境中5分钟，然后取出马上置于100℃的环境中5分钟，接着取出马上置于0℃的环境中5分钟，如此循环10次。
（4）、高温功率老化：对于普通整流管、开关管等施加80％的VR额定电压，然后置于125℃的环境中168小时，考虑到我司实际情况，目前是置于105℃的环境中48小时；对稳压管我司目前是施加66％的功率置于70℃的环境中48小时。
二极管的加速寿命试验
加速寿命试验是指采用加大应力的方法促使样品在短期内失效，以预测在正常工作条件或储存条件下的可靠性，但不改变受试样品的失效分布。
通过加速寿命试验可达到以下目的：
（1）、在较短时间里，对高可靠元器件的可靠性水平进行评估，可用外推法快速预测在规定条件下的失效率；
（2）、在较短时间内，对元器件可靠性设计、工艺改进和可靠性增长的效果进行评估；
（3）、在较短时间内，加速暴露元器件失效模式和机理，从而可正确地制定失效判据和筛选条件。
必须指出，元器件的电气规格参数指标与其性能稳定可靠是不同的概念，两者之间并没有直接的联系。规格参数良好的元器件，它的可靠性不一定高；相反，规格参数差一些的元器件，其可靠性也不一定低。电子元器件的大部分规格参数都可以通过仪表立即测量出来，但是它们的可靠性和稳定性却必须通过各种可靠性试验，或者大量（或长期）的使用之后才能判断出来。
电子元器件的失效率数据，可以通过对它的可靠性试验求得：
λ＝失效率＝失效数÷（试验器件的总数×运用时间）
失效率的常用单位是Fit（1Fit＝10-9/h），一百万个元器件运用1000h有1个失效，就叫做1Fit。失效率越低，说明元器件的可靠性越高。
二极管使用的一些注意事项
二极管应该按照极性接入电路，大部分情况下，应该使二极管的正极（或称阳极）接电路的高电位，而稳压二极管的负极（或称阴极）要接电源的正极，其正极接电源负极。
二极管正常工作需要一定的条件，如果工作条件超过允许的范围，则不能正常工作，甚至造成永久性的损坏。为使二极管能够长期稳定运行，必须注意下列事项：
（1）、切勿使电压、电流超过器件手册中规定的极限值，并应根据设计原则选取一定的裕量。
（2）、允许使用小功率电烙铁进行焊接，焊接时间应该小于3～5s，在焊接点接触型二极管时，要注意保证焊点与管芯之间有良好的散热。
（3）、玻璃封装的二极管引线的弯曲处距离管体不能太小，一般不少于2mm。
（4）、二极管的位置尽可能不要靠近电路中的发热元件。
（5）、用稳压管时应注意，二极管的反向电流不能无限增大，否则会导致二极管中的热量过高而烧毁。因此，稳压管在电路中一般需要串联限流电阻，以限制耗散功率。