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二极管

2018-08-21 10:03:48     所属分类:电子元件
各种二极管,最下方为桥式整流器。通常在二极管的阴极端会有色带标示,也就是说电流会从这里流出[1][2][3][4]
70年代北京电子厂生产的二极管

二极管英语:Diode),是一种具有不对称电导的双电极电子元件[注 1]。理想的二极管在正向导通时两个电极(阳极和阴极)间拥有零电阻,而反向时则有无穷大电阻,即电流只允许由单一方向流过二极管。

1874年,德国物理学家卡尔·布劳恩在卡尔斯鲁厄理工学院发现了晶体的整流能力。因此1906年开发出的第一代二极管——“猫须二极管”是由方铅矿等矿物晶体制成的。早期的二极管还包含了真空管,真空管二极管具有两个电极 ,一个阳极和一个热式阴极。在半导体性能被发现后,二极管成为了世界上第一种半导体器件。现如今的二极管大多是使用硅来生产,锗等其它半导体材料有时也会用到。目前最常见的结构是,一个半导体性能的结芯片通过PN结连接到两个电终端。

目录

  • 1 功能
  • 2 历史
    • 2.1 真空管的发现
    • 2.2 固态二极管
    • 2.3 辞源
  • 3 热离子二极管
  • 4 半导体二极管
    • 4.1 图标
    • 4.2 点接触式二极管
    • 4.3 面接触式二极管
    • 4.4 整流动作
      • 4.4.1 正向偏置(Forward Bias)
      • 4.4.2 反向偏置(Reverse Bias)
      • 4.4.3 接面电压
  • 5 种类
  • 6 相关条目
  • 7 注解
  • 8 参考资料
  • 9 外部链接

功能

半导体二极管的电流-电压特性曲线。电压在正的区域称为正向偏置。

二极管具有阳极和阴极两个端子,电流只能往单一方向流动。也就是说,电流可以从阳极流向阴极,而不能从阴极流向阳极。对二极管所具备的这种单向特性的应用,通常称之为“整流”功能。在真空管内,借由电极之间加上的电压能够让热电子从阴极到达阳极,因而有整流的作用。将交流电转变为脉动直流电,包括无线电接收器对无线电信号的调制,都是通过整流来完成的。

因为其顺向流通反向阻断的特点,二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上,二极管并不会表现出如此完美的开关性,而是呈现出较为复杂的非线性电子特征——这是由特定类型的二极管技术决定的。一般来说,只有在正向超过障壁电压时,二极管才会工作(此状态被称为正向偏置)[5]。一个正向偏置的二极管两端的电压降变化只与电流有一点关系,并且是温度的函数。因此这一特性可用于温度传感器或参考电压。

半导体二极管的非线性电流-电压特性,可以根据选择不同的半导体材料和掺杂不同的杂质从而形成杂质半导体来改变。特性改变后的二极管在使用上除了用做开关的方式之外,还有很多其他的功能,如:用来调节电压(齐纳二极管),限制高电压从而保护电路(雪崩二极管),无线电调谐(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)以及产生光(发光二极管)。

半导体二极管中,有利用P型和N型两种半导体接合面的PN结效应,也有利用金属与半导体接合产生的肖特基效应达到整流作用的类型。若是PN结型的二极管,在P型侧就是阳极,N型侧则是阴极。

历史

20世纪初,由于无线电接收器探测器的需要,热离子二极管(真空管)和固态二极管(半导体二极管)大约在相同的时间分别研发。直到20世纪50年代之前,真空管二极管在收音机中都更为常用。这是因为早期的点接触式半导体二极管(猫须探测器)并不稳定,并且那时大多数的收音机放大器都是由真空管制成,二极管可以直接放入其中。而且那时真空管整流器和充气整流器处理一些高电压、高电流整流任务的能力更是远在半导体二极管(如硒整流器)之上。

真空管的发现

1873年,弗雷德里克·格思里(Frederick Guthrie)发现了热离子二极管的基本操作原理[6]。他发现了当白热化的接地金属接近带正电的验电器时,验电器的电会被引走;然而带负电的验电器则不会发生类似情况。这表明了电流只能向一个方向流动。

1880年2月13日,托马斯·爱迪生也发现了这一规律。当时,爱迪生正在研究为什么他的碳丝灯泡的灯丝几乎总是在正极端烧断。他有一个密封了金属板的特殊玻璃外壳灯泡。利用这个装置,他证实,发光的灯丝会有一种无形的电流穿过真空与金属板连接,但只有当板被连接到正电源时才会发生。爱迪生随即发明了一种电路,他的特殊灯泡有效地取代了直流电压表中的电阻。在1884年,爱迪生被授予了此项发明的专利。由于当时这种装置实际上并不能看出实用价值,这项专利更多地是为了防止别人声称最早发现了这一所谓“爱迪生效应”。

20年后,约翰·弗莱明(爱迪生前雇员)发现了这一效应的实用价值,它可以用来制作精确检波器。1904年11月16日,第一个真正的热离子二极管——弗莱明管,由弗莱明在英国申请了专利[7]

固态二极管

1874年,德国物理学家卡尔·布劳恩发现了晶体的“单向传导”的能力[8],并在1899年将晶体整流器申请了专利[9]。氧化亚铜和硒整流器则是在1930年代为了供电应用而发明的。

印度人贾格迪什·钱德拉·博斯在1894年成为了第一个使用晶体检测无线电波的科学家。他也在厘米和毫米级别对微波进行了研究[10][11]。1903年,格林里夫·惠特勒·皮卡德(Greenleaf Whittier Pickard)发明了硅晶检波器,并在1906年11月20日注册了专利[12]。也正是因为格林里夫,使得晶体检波器发展成了可实用于无线电报的装置。其他实验者尝试了多种其他物质,其中最广泛使用的是矿物方铅矿(硫化铅),因它价格便宜且容易获取。在这些早期的晶体收音机集的晶体检波器包括一个可调节导线的点接触设备(即所谓的“猫须”)。可以通过手动调节晶体表面上的导线,以获得最佳的信号。这个较为麻烦的设备在20世纪20年代由热离子二极管所取代。20世纪50年代,高纯度的半导体材料出现。因为新出现的锗二极管价格便宜,晶体收音机重新开始被大规模使用。贝尔实验室还开发了锗二极管微波接收器。20世纪40年代中后期,美国电话电报公司在美国四处新建的微波塔上开始应用这种微波接收器,主要用于传输电话和网络电视信号。不过贝尔实验室并未研发出效果令人满意的热离子二极管微波接收器。

辞源

在最初被发明的那个年代,二极管通常被称作“整流器”。在1919年四极管被人发明后,威廉·亨利·埃克尔斯创造了术语Diode,是从希腊语词根(δί,di,“二”)和(ὁδός,ode,“路径”)两者结合而来的[注 2]

尽管二极管基本都有着“整流”作用,但是现在“整流器”一词通常在特定情况下才会被使用。如电源供应所需要的“半波整流”或“全波整流”设备;或者是阴极射线管所需的高压电续流二极管。

热离子二极管

真空二极管的构造
此标志为一个间接加热真空管二极管。从顶部到底部分别为:阳极、阴极和加热灯丝。

一个热离子二极管就是一个真空管(也称“电子管”),由一个包含着两个电极的密封真空玻璃壳组成:由灯丝加热的阴极,和一个阳极。早期产品的外观和现在的白炽灯泡相当类似。

在操作中,一个单独的电流通过由镍铬合金制成的高电阻灯丝(加热器),将阴极加热到红热状态(800-1000℃)后可导致它释放电子到真空。这一过程即热发射。阴极通常涂有碱土金属氧化物,如钡或锶的氧化物。因为它们具有较低的功函数,可使发射的电子数量增加。有些真空管则直接加热钨丝,钨丝则既作为加热器也是阴极本身。交流电会在负极及与其同心的阳极板之间整流,当板子带正电时,静电会从负极处吸引电子。所以电子即从阴极连通到阳极成为了电流。然而当极性反转阳极板带有负电时,阳极板不会发射电子,而阴极也并不会吸引电子,因而没有电流会产生。如此则保证了电流的单向流通,即从阴极流向阳极板。

在汞弧阀(具有冷阴极的汞蒸气离子阀)中,一种难熔的导电阳极与一池作为阴极的液态汞之间会形成电弧,电压单位可达数百千瓦,这对高压直流输电的发展起到了促进作用。一些小型的热离子整流器有时候也用汞蒸气填充,以减少他们的正向压降并增加这种热离子强真空器件的电流额定值。

整个真空管时代,这种二极管应用于模拟信号,并在消费电子产品(如收音机、电视机、音响系统)的直流供电设备中当做整流器。20世纪40年代,在那些供电设备内的真空管开始被硒整流器所替代,然后在1960年代又被半导体二极管替代。如今,二极管仍然在一些高功率应用场合中使用,由于能够承受瞬变和较好的鲁棒性,使得他们比半导体器件的优势能够显现出来。尤其是音频处理上,真空管基本不存在瞬态互调失真、开关失真及交越失真等影响音质的问题。因此近年来,在音响发烧友和录音棚所用的音频设备中,应用真空二极管的老式音频设备有回潮的迹象,如家用音响系统甚至是吉他效果器。

半导体二极管

图标

电路图中用于二极管的图标如下图表所示。

典型的二极管封装,细环代表阴极

点接触式二极管

点接触式二极管和下文所述的面接触式二极管工作原理类似,不过构造较为简单。主要结构即为一个由第三主族金属制成的导电的尖端,和一块与其相接触的N型半导体。一些金属会进入半导体,接触面的这一小片区域就成为了P型半导体。长期流行的1N34锗型二极管,目前还在无线电接收器中的检波器中使用,并有时会在一些应用模拟电子的场合使用。

面接触式二极管

半导体的PN结和能阶结构的示意图

面接触式PN结二极管是由一块半导体晶体制成的。不同的掺杂工艺可以使同一个半导体(如本征硅)的一端成为一个包含负极性载流子(电子)的区域,称作N型半导体;另一端成为一个包含正极性载流子(空穴)的区域,称作P型半导体。两种材料在一起时,电子会从N型一侧流向P型一侧。这一区域电子和空穴相互抵销,造成中间区域载流子不足,形成“耗尽层”。在耗尽层内部存在“内电场”:N型侧带正电,P型侧带负电。两块区域的交界处为PN结,晶体允许电子(外部来看)从N型半导体一端,流向P型半导体一端,但是不能反向流动[13]

整流动作

当二极管两边施加电压时,耗尽区的宽度,PN结势垒高低均会发生变化,导致二极管的电阻发生变化。

正向偏置下的PN结,表现为耗尽层变薄。在p端与n端均掺杂1e15/cm3水平,导致内在电势~0.59 V。蓝色实线代表能带,红色虚线代表准费米能级。中图为电场强度,右图为电荷密度

正向偏置(Forward Bias)

正向偏置时的PN结二极管

二极管的阳极侧施加正电压,阴极侧施加负电压,这样就称为正向偏置,所加电压为正向偏置。如此N型半导体被注入电子,P型半导体被注入空穴。这样一来,让多数载流子过剩,耗尽层缩小、消灭,正负载流子在PN接合部附近结合并消灭。整体来看,电子从阴极流向阳极(电流则是由阳极流向阴极)。在这个区域,电流随着偏置的增加也急遽地增加。伴随着电子与空穴的再结合,两者所带有的能量转变为热(和光)的形式被放出。能让正向电流通过的必要电压被称为开启电压,特定正向电流下二极管两端的电压称为正向压降。

反向偏置(Reverse Bias)

反向偏置时的PN结二极管

在阳极侧施加相对阴极负的电压,就是反向偏置,所加电压为反向偏置。这种情况下,因为N型区域被注入空穴,P型区域被注入电子,两个区域内的主要载流子都变为不足,因此结合部位的耗尽层变得更宽,内部的静电场也更强,扩散电位也跟着变大。这个扩散电位与外部施加的电压互相抵销,让反向的电流更难以通过。更多的细节请参阅“PN结”条目。

实际的元件虽然处于反向偏置状态,也会有微小的反向电流(饱和电流、漏电流、漂移电流)通过。当反向偏置持续增加时,还会发生隧道击穿雪崩击穿崩溃,发生急遽的电流增加。开始产生这种击穿现象的(反向)电压被称为击穿电压。超过击穿电压以后反向电流急遽增加的区域被称为击穿区崩溃区)。在击穿区内,电流在较大的范围内变化而二极管反向压降变化较小。稳压二极管就利用这个区域的动作特性而制成,可以作为电压源使用。

接面电压

当二极管的P-N结处于正向偏置时,必须有相当的电压被用来贯通耗尽区,导致形成一反向的电压源,此电压源的电压就称为障壁电压,硅二极管的障壁电压约0.6V~0.7V,锗二极管的障壁电压约0.3~0.4V

种类

二极管的微距照片,左端黑色方形物为半导体

依照材料及发展年代分类:

  1. 二极真空管
  2. 锗二极管
  3. 硒二极管
  4. 硅二极管
  5. 砷化镓二极管

依照应用及特性分类:

  • PN结二极管(PN Diode)
施加正向偏置,利用半导体中PN接合的整流性质,是最基本的半导体二极管,常见应用于整流方面以及与电感并联保护其他元件用。细节请参照PN结的条目。
  • 肖特基二极管
利用金属和半导体二者的接合面的'肖特基效应'的整流作用。由于正向的切入电压较低,导通回复时间也短,适合用于高频率的整流。一般而言漏电流较多,突波耐受度较低。也有针对此缺点做改善的品种推出。
  • 稳压二极管(Reference Diode)(常用称法:齐纳二极管)
施加反向偏置,超过特定电压时发生的反向击穿电压随反向电流变化很小,具有一定的电压稳定能力。利用此性质做成的元件被用于电压基准。借由掺杂物的种类、浓度,决定击穿电压(破坏电压)。其正向偏置与一般的二极管相同。
  • 恒流二极管英语Constant Current Diode(或称定电流二极管,CRD、Current Regulative Diode)
被施加顺方向电压的场合,无论电压多少,可以得到一定的电流的元件。通常的电流容量在1~15mA的范围。虽然被称为二极管,但是构造、动作原理都与接合型电场效应晶体管相似。
  • 变容二极管
施加反向偏置,二极管PN接合的耗尽层厚度会因电压不同而变化,产生静电容量(接合容量)的变化,可当作由电压控制的可变电容器使用。没有机械零件所以可靠度高,广泛应用于压控振荡器或可变电压滤波器,也是电视接收器和移动电话不可缺少的零件。
  • 发光二极管
施加正向偏置,可以发光的二极管。由发光种类与特性又有红外线二极管、各种颜色的可见光二极管、紫外线二极管等。
  • 激光二极管
当LED产生的光是带宽极窄的同调光(Coherent Light)时,则称为激光二极管。
  • 光电二极管
光线射入PN结,P区空穴、N区电子大量发生,产生电压(光电效应)。借由测量此电压或电流,可作为光感应器使用。有PN、PIN、肖特基、APD等类型。太阳电池也是利用此种效应。
  • 隧道二极管(Tunnel Diode)、江崎二极管(Esaki Diode)、透纳二极管
由日本人江崎玲于奈于1957年发明。是利用量子穿隧效应的作用,会出现在一定偏置范围内正向电压增加时流通的电流量反而减少的“负电阻”的现象。这是最能耐受核辐射的半导体二极管。
  • PIN二极管(P-intrinsic-N Diode)
PN之间一层高电阻的半导体层,使少数载流子的积蓄效果增加,逆回复时间也较长。利用正向偏置时高频率信号较容易通过的性质,用于天线的频带切换以及高频率开关。
  • 耿效应二极管
应用于低功率微波振荡器。
  • 二极真空管
  • 气体放电管整流器
针状电极和平板电极相向接近尖端放电。若把针状电极当做负极,比较低的电压就会开始放电。利用这样的性质来做当作整流器。
  • 点接触二极管
用钨之类的金属针状电极与N型半导体的表面接触,此构造的特征是寄生电容非常小。采用于锗质二极管和耿效应二极管。矿石收音机中使用的矿石检波器日语鉱石検波器也是一种点接触二极管。
  • 交流二极管(DIAC)、突波保护二极管、双向触发二极管
当施加超过规定电压(Break Over电压,VBO)的电压会开始导通使得端子之间的电压降低的双方向元件。用于电路的突波保护上。另,虽被称为二极管,实际的构造、动作原理都应归类为闸流管/可控硅整流器的复杂分类中。
  • 非线性电阻器
若超过一定电压,电阻就会降低。是保护电路受到突波电压伤害的双向元件。通常由二氧化锌的烧结体颗粒制成,当作非线性电阻使用。虽然一般认为它的作用应是由内部众多金属氧化物颗粒间的肖特基接面二极管效应而产生,但对外并不呈现二极管的特性,因此平常并不列在二极管分类之中。

相关条目

  • 半导体
  • 三极管
  • 齐纳二极管
  • 二极管模型

注解

  1. ^ 真空管二极管可能还会多一或两条用于加热的辅助端子。
  2. ^ 不过实际上diode这个词汇,早在时分多路复用电报业界当做术语使用了,参见The telegraphic journal and electrical review, September 10, 1886, p. 252

参考资料

  1. ^ Tooley, Mike. Electronic Circuits: Fundamentals and Applications, 3rd Ed.. Routlege. 2012: 81. ISBN 1-136-40731-6. 
  2. ^ Lowe, Doug. Electronics Components: Diodes. Electronics All-In-One Desk Reference For Dummies. John Wiley & Sons. 2013 [January 4, 2013]. 
  3. ^ Crecraft, David; Stephen Gergely. Analog Electronics: Circuits, Systems and Signal Processing. Butterworth-Heinemann. 2002: 110. ISBN 0-7506-5095-8. 
  4. ^ Horowitz, Paul; Winfield Hill. The Art of Electronics, 2nd Ed.. London: Cambridge University Press. 1989: 44. ISBN 0-521-37095-7. 
  5. ^ 李庆常,王美玲. 《数字电子技术基础》. 机械工业出版社, 北京. 2009. ISBN 978-7-111-04154-2. 
  6. ^ 1928 Nobel Lecture: Owen W. Richardson, "Thermionic phenomena and the laws which govern them", December 12, 1929
  7. ^ Road to the Transistor. Jmargolin.com. [2008-09-22]. 
  8. ^ Historical lecture on Karl Braun 互联网档案馆的存档,存档日期2006-02-11.
  9. ^ Diode. Encyclobeamia.solarbotics.net. [2010-08-06]. (原始内容存档于2006-04-26). 
  10. ^ Emerson, D. T. The work of Jagadish Chandra Bose: 100 years of mm wave research. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Dec 1997, 45 (12): 2267–2273 [2010-01-19]. Bibcode:1997ITMTT..45.2267E. doi:10.1109/22.643830. 
  11. ^ Sarkar, Tapan K. History of wireless. USA: John Wiley and Sons. 2006: 94, 291–308. ISBN 0-471-71814-9. 
  12. ^ 美国专利 836,531
  13. ^ 王远,张玉平. 《模拟电子技术基础》. 机械工业出版社, 北京. 2008. ISBN 978-7-111-04210-5. 

外部链接

  • 二极管的特性与应用

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