[硬件电路-63]：模拟器件 - 二极管的种类、各自的内部组成、工作原理、主要应用

一、二极管的种类与内部组成

二极管的核心结构为PN结，即P型半导体（空穴主导导电）与N型半导体（自由电子主导导电）的交界区域。根据功能与结构差异，模拟电路中常见的二极管类型及内部组成如下：

1. 整流二极管：大电流
   • 内部组成：面接触型PN结，结面积大，允许通过较大电流（如1N4007系列）。
   • 特点：正向压降约0.7V（硅管），反向恢复时间较长，适用于低频整流。
2. 稳压二极管（齐纳二极管）
   • 内部组成：高掺杂PN结，反向击穿时电压稳定（如1N4733A）。
   • 特点：反向击穿区电压随电流变化极小，用于电压基准或稳压电路。
3. 肖特基二极管
   • 内部组成：金属与半导体（如N型硅）的肖特基势垒结构，无PN结。
   • 特点：正向压降低（约0.2-0.4V），反向恢复时间极短（纳秒级），适用于高频开关电源。
4. 发光二极管（LED）
   • 内部组成：PN结由磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等材料制成。
   • 特点：电子-空穴复合时释放光子（释放能量），颜色由材料决定（如红、绿、蓝、白）。
5. 光电二极管
   • 内部组成：PN结工作在反向偏置状态，光敏区域面积较大。
   • 特点：反向电流随光照强度线性变化，用于光检测（如光耦合器、光纤通信）。当没有光强时，反向电流为0；
6. 变容二极管
   • 内部组成：PN结结电容随反向偏压变化（如彩电高频头调谐电路）。
   • 特点：反向偏压越高，结电容越小，用于频率调谐或压控振荡器。
7. TVS二极管（瞬态电压抑制二极管）
   • 内部组成：改进型稳压管结构，具有极快的响应速度（皮秒级）。
   • 特点：反向击穿电压固定，用于吸收瞬态高压脉冲（如防静电、防雷击）。

二、二极管的工作原理

二极管的核心特性为单向导电性，其工作原理基于PN结的物理特性：

1. 正向偏置（P接正，N接负）
   • 外电场削弱PN结内建电场，耗尽层变窄，载流子（空穴与电子）扩散运动增强，形成导电通道。
   • 结果：二极管导通，电流随电压指数增长（正向特性曲线）。
2. 反向偏置（P接负，N接正）
   • 外电场增强PN结内建电场，耗尽层变宽，载流子漂移运动主导，仅存在微小反向饱和电流（IS​）。
   • 结果：二极管截止，反向电流几乎为零（反向特性曲线）。
3. 反向击穿
   • 齐纳击穿：高掺杂PN结中，反向电压使共价键断裂，产生大量载流子（电压<5V时常见）。
   • 雪崩击穿：低掺杂PN结中，反向电压加速载流子，碰撞产生更多载流子（电压>5V时常见）。
   • 结果：反向电流急剧增加，但若电流受限（如串联电阻），二极管不会损坏（稳压二极管即利用此特性）。

三、二极管在模拟电路中的主要应用

1. 整流电路
   • 功能：将交流电（AC）转换为脉动直流电（DC）。
   • 应用：电源适配器、充电器、电机驱动等。
   • 示例：桥式整流电路使用4个二极管，实现全波整流，效率高于半波整流。
2. 稳压电路
   • 功能：维持输出电压稳定。
   • 应用：线性稳压电源、基准电压源。
   • 示例：稳压二极管与限流电阻串联，提供固定电压（如5V稳压电路）。
3. 信号调制与检波
   • 调制：改变信号幅度或频率（如AM调幅）。
   • 检波：提取调制信号中的信息（如收音机解调电路）。
   • 示例：检波二极管（如1N34A）用于高频信号解调。
4. 限幅与钳位电路
   • 限幅：限制信号幅度范围（如防止音频信号失真）。
   • 钳位：将信号电平固定在特定值（如数字电路电平转换）。
   • 示例：双向TVS二极管用于保护电路免受电压尖峰损害。
5. 开关电路
   • 功能：利用二极管导通/截止特性实现逻辑控制。
   • 应用：数字电路中的二极管门电路、模拟开关。
   • 示例：肖特基二极管用于高速开关电路（如RF信号切换）。
6. 光电器件应用
   • 发光二极管（LED）：指示电路状态或作为光源（如显示屏背光）。
   • 光电二极管：光检测与转换（如光耦合器、光纤接收端）。
7. 频率调谐与振荡
   • 变容二极管：通过改变反向偏压调整结电容，实现频率调谐（如调谐回路、压控振荡器）。
8. 保护电路
   • TVS二极管：吸收瞬态高压脉冲（如ESD防护、雷电浪涌抑制）。
   • 续流二极管：保护感性负载（如继电器、电机）断电时产生的反向电动势。

附录1：什么是二极管的反向恢复（恢复到截止状态）时间

二极管的反向恢复时间（Reverse Recovery Time, trr​）是描述其在正向导通状态切换至反向截止状态时，从电流开始反向到完全恢复反向阻断能力所需的时间间隔（中间是有一个过渡的时间）。

关断的时间越短越好！！！

这一参数对高频开关电路（如开关电源、逆变器、电机驱动等）的性能至关重要。

1、反向恢复时间的物理机制

1. 正向导通状态
   • 当二极管正向偏置时，PN结耗尽层变窄，大量载流子（P区的空穴和N区的电子）注入并扩散到对方区域，形成导电通道。
   • 此时，二极管等效为一个低阻抗元件，电流主要由多数载流子（如N型硅中的电子）主导。
2. 反向偏置瞬间
   • 当电压极性反转时，外电场试图将载流子拉回原区域，但已注入的载流子需通过复合或扩散过程逐渐消失。
   • 在载流子完全消失前，二极管仍呈现低阻抗，导致反向电流（IRM​）短暂存在，甚至可能超过正向电流。
3. 反向恢复过程
   • 存储阶段（ta​）：反向电压施加后，载流子浓度开始下降，但反向电流仍维持较高值。
   • 下降阶段（tb​）：载流子浓度降至临界值，反向电流快速衰减至零，二极管恢复反向阻断能力。
   • 总反向恢复时间：trr​=ta​+tb​（通常以反向电流衰减至初始值的10%为标志）。

2、反向恢复时间的影响因素

1. 载流子寿命（τ）
   • 载流子复合时间越长，trr​ 越大。通过掺杂杂质（如金、铂）可缩短载流子寿命，从而减小 trr​（如快恢复二极管）。
2. 正向电流（IF​）
   • 正向电流越大，注入的载流子越多，反向恢复时间越长（trr​∝IF​​）。
3. 结温（Tj​）
   • 温度升高会增强载流子热运动，延长复合时间，导致 trr​ 增加。
4. 二极管类型
   • 普通整流二极管：trr​ 较长（微秒级），适用于低频整流。
   • 快恢复二极管（FRD）：通过优化掺杂工艺，trr​ 缩短至数十至数百纳秒，适用于高频开关电源。
   • 肖特基二极管：无PN结载流子存储效应，trr​ 接近零，适用于超高频开关（如MHz级）。
   • 超快恢复二极管（UFRD）：trr​ 可低至几纳秒，用于高频逆变器、通信电源等。

3、反向恢复时间的测试与参数

1. 测试电路
   • 通常采用脉冲发生器施加正向电流脉冲，随后快速切换至反向电压，通过示波器观察反向电流波形（如下图）。
   • 关键参数：
     • 反向峰值电流（IRM​）：反向恢复过程中的最大电流。
     • 软度因子（S）：S=tb​/ta​，反映电流衰减的平滑程度（S>1 为软恢复，可减少电磁干扰）。
2. 数据手册标注
   • 制造商通常在数据手册中提供 trr​ 的典型值（如25℃、IF​=1A、IRM​=10%IF​ 条件下的测试结果）。
   • 示例：快恢复二极管 MUR160 的 trr​≤50ns，肖特基二极管 1N5819 的 trr​ 可忽略不计。

4、反向恢复时间对电路的影响

1. 开关损耗增加
   • 在反向恢复期间，二极管与开关管（如MOSFET）同时导通，形成短路回路，导致额外功耗（Psw​=21​VDS​IRM​fs​trr​，其中 fs​ 为开关频率）。
   • 对策：选用 trr​ 较短的二极管或采用同步整流技术（用MOSFET替代二极管）。
2. 电磁干扰（EMI）加剧
   • 反向电流的快速变化会产生高频噪声，通过寄生电容耦合至其他电路，影响系统稳定性。
   • 对策：增加缓冲电路（如RC吸收网络）或优化PCB布局以减少寄生参数。
3. 电压过冲与振荡
   • 在感性负载（如电机、电感）电路中，反向恢复电流可能引发电压尖峰（V=Ldtdi​），损坏器件。
   • 对策：并联续流二极管或采用超快恢复二极管。

5、应用案例

1. 开关电源（Buck/Boost转换器）
   • 输出整流二极管需频繁开关，若 trr​ 过长，会导致效率下降和发热严重。
   • 解决方案：使用快恢复二极管（如SF16）或肖特基二极管（如SS34）。
2. 逆变器（IGBT模块）
   • 反并联二极管用于续流，其 trr​ 直接影响逆变器输出波形质量。
   • 解决方案：采用超快恢复二极管（如DSEI60-06A）以减少谐波失真。
3. 高频通信电源
   • 肖特基二极管因其零反向恢复时间，成为高频整流的首选（如1N5822用于48V通信电源）。