二极管和整流器简介

关于二极管的一切

二极管 是一种允许电流的电气设备 在一个方向通过它比在另一个方向更容易。现代电路设计中最常见的二极管是半导体 二极管，尽管存在其他二极管技术。半导体二极管在示意图中用符号表示，如下图。术语“二极管”通常用于小信号设备，I ≤ 1 A。术语整流器 用于功率器件，I> 1 A。

半导体二极管原理图符号：箭头表示电流方向。

当置于简单的电池灯电路中时，二极管将允许或阻止电流通过灯，具体取决于施加电压的极性。 （下图）

二极管操作： (a) 允许电流流动；二极管正向偏置。 (b) 禁止电流流动；二极管反向偏置。

当电池的极性允许电流流过二极管时，二极管被称为正向偏置 .相反，当电池“反向”并且二极管阻止电流时，二极管被称为反向偏置 .二极管可以被认为是一个开关：正向偏置时“关闭”，反向偏置时“打开”。

二极管符号“箭头”的方向指向常规流动中的电流方向。该约定适用于所有在其原理图中具有“箭头”的半导体。当使用电子流时，情况正好相反，其中电流方向与“箭头”相反。

液压止回阀类比

二极管的行为类似于称为止回阀的液压装置的行为 .止回阀只允许流体从一个方向流过，如下图所示。

液压止回阀类比： (a) 允许电流流动。 (b) 禁止电流流动。

止回阀本质上是压力操作装置：如果通过它们的压力具有正确的“极性”以打开闸门，它们就会打开并允许流动（在所示的类比中，右侧的流体压力大于左侧的流体压力）。如果压力为相反的“极性”，则单向阀两端的压差将关闭并保持闸板，从而不发生流动。

与止回阀一样，二极管本质上是“压力”操作（电压操作）设备。正向偏置和反向偏置之间的本质区别在于二极管两端压降的极性。让我们仔细看看前面显示的简单电池二极管灯电路，这次调查下图中各个组件的电压降。

二极管电路电压测量： (a) 正向偏置。 (b) 反向偏置。

正向偏置二极管配置

一个正向偏置二极管传导电流并在其两端降低一个小电压，使大部分电池电压在灯两端下降。如果电池的极性接反，二极管就会反向偏置，然后下降all 电池的电压没有为灯留下。如果我们认为二极管是一个自驱动开关（在正向偏置模式下关闭，在反向偏置模式下打开），这种行为是有道理的。最显着的区别是，二极管在导通时比普通机械开关下降的电压要大得多（0.7 伏对几十毫伏）。

二极管呈现的这种正向偏置电压降是由于 P-N 结在施加电压的影响下形成的耗尽区的作用。如果半导体二极管两端未施加电压，则 P-N 结区域周围会存在薄耗尽区，从而阻止电流流动。 （下图（a））耗尽区几乎没有可用的电荷载流子，并且充当绝缘体：

二极管表示：PN结模型、原理图符号、物理部分。

二极管的示意图如上图（b）所示，阳极（尖端）对应于（a）处的P型半导体。 (b) 处的阴极棒，非尖端，对应于 (a) 处的 N 型材料。另请注意，物理部分（c）上的阴极条纹对应于符号上的阴极。

反向偏置二极管配置

如果在 P-N 结上施加反向偏置电压，该耗尽区将扩大，进一步抵抗通过它的任何电流。 （下图）

耗尽区随着反向偏置而扩大。

正向电压

相反，如果在 P-N 结上施加正向偏置电压，耗尽区会坍塌变得更薄。二极管对通过它的电流的电阻变小。为了让持续的电流通过二极管；但是，耗尽区必须被施加的电压完全塌陷。这需要一定的最小电压才能完成，称为正向电压 如下图所示。

从 (a) 到 (b) 增加正向偏置会降低耗尽区厚度。

对于硅二极管，典型的正向电压为 0.7 伏，标称值。对于锗二极管，正向电压仅为 0.3 伏。构成二极管的 P-N 结的化学成分决定了其标称正向电压值，这就是硅二极管和锗二极管具有如此不同的正向电压的原因。对于很宽的二极管电流范围，正向压降保持近似恒定，这意味着二极管压降与电阻器甚至正常（闭合）开关的压降不同。对于大多数简化的电路分析，导通二极管两端的电压降可以被认为是标称值的常数，与电流量无关。

二极管方程

实际上，正向压降更为复杂。给定结上的电压降、结的温度和几个物理常数，方程描述了通过二极管的确切电流。它通常被称为二极管方程 :

术语 kT/q 描述了由于温度的作用在 P-N 结内产生的电压，称为热电压 , 或结的 Vt。在室温下，这大约是 26 毫伏。知道这一点，并假设“非理想性”系数为 1，我们可以简化二极管方程并将其重写为：

您无需熟悉“二极管方程”即可分析简单的二极管电路。只要明白电流传导二极管两端的电压下降确实 随通过它的电流量而变化，但这种变化在很宽的电流范围内是相当小的。这就是为什么许多教科书只是简单地说导电半导体二极管两端的压降保持恒定，硅为 0.7 伏，锗为 0.3 伏。

然而，一些电路故意利用 P-N 结固有的指数电流/电压关系，因此只能在这个方程的上下文中理解。此外，由于温度是二极管方程中的一个因素，正向偏置的 P-N 结也可以用作温度感应器件，因此只有对这一数学关系有概念性的把握才能理解。

反向偏置操作

由于耗尽区扩大，反向偏置二极管可防止电流通过。实际上，极少量的电流可以并且确实通过反向偏置二极管，称为泄漏电流 ，但在大多数情况下可以忽略它。

二极管承受反向偏置电压的能力是有限的，就像任何绝缘体一样。如果施加的反向偏置电压变得太大，二极管将经历一种称为击穿的情况 （下图），这通常是破坏性的。

二极管的最大反向偏置电压额定值称为峰值反向电压 , 或 PIV ，并且可以从制造商处获得。与正向电压一样，二极管的 PIV 额定值随温度而变化，只是 PIV 增加 随着温度升高和降低 随着二极管变冷——与正向电压正好相反。

二极管曲线：Si 在 0.7 V 正向偏压和反向击穿时显示拐点。

通常，通用“整流器”二极管的 PIV 额定值在室温下至少为 50 伏。可以以适中的价格购买具有数千伏 PIV 额定值的二极管。

评论：

• 一个二极管 是一种用作电流单向阀的电气元件。
• 当电压以二极管允许电流的方式施加在二极管上时，该二极管被称为正向偏置 .
• 当电压以二极管禁止电流的方式施加在二极管上时，该二极管被称为反向偏置 .
• 在导通的正向偏置二极管上下降的电压称为正向电压 .二极管的正向电压仅随正向电流和温度的变化而略有变化，并且由 P-N 结的化学成分固定。
• 硅二极管的正向电压约为 0.7 伏。
• 锗二极管的正向电压约为 0.3 伏。
• 二极管在不“击穿”的情况下所能承受的最大反向偏置电压称为峰值反向电压 , 或 PIV 评级。

相关工作表：

• 整流二极管工作表
• PN 结工作表