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二极管的分类及常用方法

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310 danevaut 发表于 2017-9-13 19:27:09
前面调试一个板子,半天没搞清楚啥问题,直接USB供电正常运行,使用电池供电就发生3.3V和GND“短接”,各种测试濒临崩溃,最后发现是一个二极管加工时焊接错误,导致电池供电时在二极管上的压降太大,更改成肖特基低压差二极管,完美解决。所以借此总结一下二极管的常见使用方法。
肖特基二极管(SBD)不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结(肖特基势垒)原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。组成如下图:

特基二极管的Schottky barriers(肖特基势垒)小于一般的PN结型二极管,所以正向导通所需的电压很低(0.2~0.5V)。肖特基二极管的反向恢复时间(trr)非常快,因为其不存在少数载流子的寿命问题,反向恢复电荷非常少,所以其开关频率特别高,可达100GHz。这些特性使得肖特基二极管在高频应用领域占有重要位置。
1.2肖特基二极管的原理
Schottky diode 是用贵金属作为正极,N型半导体作为负极。在N型半导体中掺杂了磷、砷等元素,所以N型半导体的多子为自由电子(Electronics),少子为空穴(Hole)。而贵金属中的自由电子较少,所以电子(Electronics)由N型半导体向金属扩散。因为金属中没有空穴(Hole)的存在,所以当电子不断向金属扩散,N型半导体得不到空穴补充所以带正电,贵金属端由于多了自由电子所以带负电。Schottky diode 就形成了一个从N型半导体指向贵金属端的内电场。如下图所示:

在内电场的作用下,贵金属端的电子漂移至N型半导体。随着漂移运动,内电场又逐渐被削弱,扩散运动增加。最后扩散运动与漂移运动达到平衡,在N型半导体与贵金属之间形成了Schottky barriers(肖特基势垒)。如下图。

施加正向电压:当对肖特基二极管施加正向电压时,中间的空间电荷区减少,加剧扩散运动。如下图。

施加反向电压时:
当对肖特基二极管施加反向电压时,在反向电压与内电场的共同作用下空间电荷区增加,扩散运动受抑。少量电子在外加电压与内电场的共同作用下从贵金属端漂移至N型半导体。N型半导体的电子因为空间电荷区的增大以及外加电场与内电场共同的影响无法穿过空间电荷区到达贵金属端,形成反向截止。

肖特基二极管(SBD)的主要参数有:IF(IO)正向电流(A)、VRRM反向耐压(V)、IFSM峰值瞬态浪涌电流(A)、IF测试电流(A)、VF正向压降(V)、IR反向漏电流(uA)。肖特基二极管属于低功耗、超高速的半导体器件。
1.肖特基二极管的正向压降比快恢复二极管正向压降低很多,所以自身功耗较小,效率高。
2.由于反向电荷恢复时间极短,所以适宜工作在高频状态下。
3.能耐受高浪涌电流。
4.以前的肖特基管反向耐压一般在200V以下,但现在最新技术可以做到高达1000V的产品,市场应用前景十分广阔。
5.目前市场上常见的肖特基管最高结温分100℃、125℃、150%、175℃几种(结温越高表示产品抗高温特性越好,即工作在此温度以下不会引起失效)。
6.反向漏电流比较大,所以没法做成高压的二极管。
1.5肖特基二极管应用
肖特基二极管一般用在电源次级输出整流上面。 作用还是整流,其优势是正向压降低,反向恢复时间快,所以整体损耗会比其他的二极管低很多。
肖特基二极管被广泛应用于变频器、开关电源、驱动器等电路,作为低压、高频、大电流整流二极管、保护二极管、续流二极管等使用,肖特基二极管在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。
能够迅速由导通状态过渡到关断状态的PN结整流二极管,称为快恢复二极管。快恢复二极管(简称FRD),是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,工艺上多采用掺金措施,结构上有采用PN结型结构,有的采用改进的PIN结构。其正向压降高于普通二极管(1-2V),反向耐压多在1200V以下,从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长,后者则在100纳秒以下。 主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。
快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,它属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。因基区很薄,其反向恢复电荷很小,所以快恢复二极管的反向恢复时间较短,正向压降较低,反向击穿电压较高。快恢复二极管有0.8-1.1V的正向导通压降,35-85ns的反向恢复时间,在导通和截止之间迅速转换,提高了器件的使用频率并改善了波形。
2.2特点
反向恢复时间trr的定义是:电流通过零点由正向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。
快速恢复二极管主要特点是这种二极管由导通转到截止所需要的时间非常短,这个时间称为反向恢复时间,反向恢复时间比较小的管子可明显降低开关时的功耗。此外还常常被用来产生快速上升的脉冲信号。高电平过渡到低电平,或者是从低电平过渡到高电平。
2.3应用
快速恢复二极管是介于肖特基和普通二极管之间的,它既有肖特基二极管的导通压降低(没有肖特基低),速度快,又有比较高的耐压(肖特基一般耐压很低),快恢复主要用于频率较高的场合做整流,比如开关电源的二次整流,用于市电的整流,逆变电源中做整流元件。快速恢复二极管的PN结较普通整流管要薄,在过瞬间大电流的能力较普通的为弱,尤其是在滤波电容过大的情况下,管子最大电流选择不当会在一瞬间烧毁快恢复的PN结。
整流二极管(rectifier diode)一种用于将交流电转变为直流电的半导体器件。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。通常它包含一个PN结,有正极和负极两个端子。其结构如图所示。P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子,在P区和N区间形成一定的位垒。外加电压使P区相对N区为正的电压时,位垒降低,位垒两侧附近产生储存载流子,能通过大电流,具有低的电压降(典型值为0.7V),称为正向导通状态。若加相反的电压,使位垒增加,可承受高的反向电压(从25V到3000V),流过很小的反向电流(称反向漏电流),称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高,反向漏电流小,高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿)。这种器件的结面积较大,能通过较大电流(可达上千安),但工作频率不高,一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路,如需达到全波整流需连成整流桥使用。

指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值,并要满足散热条件。例如1N4000系列二极管的IF为1A。
(2)最高反向工作电压VR:
指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值,则反向电流(IR)剧增,二极管的单向导电性被破坏,从而 引起反向击穿。通常取反向击穿电压(VB)的一半作为(VR)。例如1N4001的VR为50V,1N4007的VR为1000V。
(3)最大反向电流IR:
它是二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流,此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。因此这个电流值越小,表明二极管质量越好。
(4)击穿电压VR:
指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。反向为软特性时,则指给定反向漏电流条件下的电压值。
(5)最高工作频率fm:
它是二极管在正常情况下的最高工作频率。主要由PN结的结电容及扩散电容决定,若工作频率超过fm,则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。例如1N4000系列二极管的fm为3kHz。
(6)反向恢复时间tre:
指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。
(7)零偏压电容CO:
指二极管两端电压为零时,扩散电容及结电容的容量之和。值得注意的是,由于制造工艺的限制,即使同一型号的二极管其 参数的离散性也很大。手册中给出的参数往往是一个范围,若测试条件改变,则相应的参数也会发生变化,例如在25°C时测得1N5200系列硅塑封整流二极 管的IR小于10uA,而在100°C时IR则变为小于500uA。
二极管电路中整流二极管的应用最为普遍。所谓整流二极管就是专门用于电源电路中将交流电转换成单向脉动直流电的二极管,由整流二极管构成的电路称为二极管整流电路。

又称为瞬态抑制二极管,是普遍使用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,把它的两端电压箝制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

续流二极管由于在电路中起到续流的作用而得名,一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管来作为“续流二极管”,它在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏,以并联的方式接到产生感应电动势的元件两端,并与其形成回路,使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗,从而起到保护电路中的元件不被损坏的作用。
续流二极管经常和储能元件一起使用,防止电压电流突变,提供通路。电感可以经过它给负载提供持续的电流,以免负载电流突变,起到平滑电流的作用。在开关电源中,就能见到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。这个电路续流二极管与变压器原边并联。当开关管关断时,续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量,防止感应电压过高,击穿开关管。可见“续流二极管”并不是一个实质的元件,它只不过在电路中起到的作用称做“续流”。

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