二极管和整流器简介

二极管和整流器简介 

二极管是一种电子设备，它允许电流在一个方向上比在另一个方向上更容易地通过它。现代电路设计中最常见的二极管类型是半导体二极管，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，如下图所示。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设备，I > 1 A。

半导体二极管原理图符号：箭头表示电流流向

       当放置在简单的电池灯电路中时，二极管将允许或阻止电流通过灯，具体取决于所施加电压的极性。（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，称二极管为正向偏置。相反，当电池“反向”并且二极管阻断电流时，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“闭合”，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。使用电子流时则相反，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。止回阀仅允许流体沿一个方向流过，如下图所示。

液压止回阀类比： (a) 允许的电流流量。(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）。如果压力具有相反的“极性”，则止回阀两端的压力差将关闭并保持闸门，从而不会发生流动。

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电压降的极性。让我们仔细看看前面显示的简单电池二极管灯电路，这次研究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

一个正向偏置的二极管传导电流并在其两端下降一个小电压，使大部分电池电压下降到灯上。如果电池的极性接反，二极管就会反向偏置，并且会降低电池的所有电压，而不会为灯留下任何电压。如果我们认为二极管是一个自驱动开关（在正向偏置模式下闭合，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更多的电压（0.7 伏对数十毫伏）。

二极管表现出的这种正向偏置电压降是由于PN结在施加电压的影响下形成的耗尽区的作用。如果在半导体二极管上没有施加电压，则在 PN 结区域周围存在薄耗尽区，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。

       二极管的示意图符号如上图（b）所示，阳极（指向端）对应于（a）处的 P 型半导体。(b) 处的非指向端阴极棒对应于 (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 PN 结上施加反向偏置电压，则该耗尽区会扩大，从而进一步抵抗通过它的任何电流。（下图）

耗尽区随着反向偏压而扩大

       正向电压

相反，如果在 PN 结上施加正向偏置电压，则耗尽区会塌陷变得更薄。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) 增加正向偏置会减小耗尽区的厚度

       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PN 结的化学成分决定了其标称正向电压值，这就是硅和锗二极管具有如此不同正向电压的原因。对于大范围的二极管电流，正向压降保持大致恒定，这意味着二极管压降不像电阻器甚至正常（闭合）开关。对于大多数简化的电路分析，导电二极管上的电压降可能被认为是在标称值上恒定的，并且与电流量无关。

       二极管方程

实际上，正向压降更为复杂。一个方程描述了通过二极管的确切电流，给定了结上的电压降、结的温度和几个物理常数。它通常被称为二极管方程：

二极管方程

       术语 kT/q 描述了由于温度作用在 PN 结内产生的电压，称为结的热电压或 Vt。在室温下，这约为 26 毫伏。知道这一点，并假设“非理想”系数为 1，我们可以简化二极管方程并将其重写为：

二极管简化方程

       你无需熟悉“二极管方程”即可分析简单的二极管电路。只需了解通过电流传导二极管的电压降确实会随着流过它的电流量而变化，但这种变化在很宽的电流范围内相当小。这就是为什么许多教科书简单地说导电半导体二极管上的电压降保持不变，硅为 0.7 伏，锗为 0.3 伏。

然而，一些电路有意利用了 PN 结固有的指数电流/电压关系，因此只能在这个等式的上下文中理解。此外，由于温度是二极管方程中的一个因素，因此正向偏置的 PN 结也可以用作温度传感装置，因此只有在概念上掌握这种数学关系才能理解。

反向偏置操作

由于扩展的耗尽区，反向偏置二极管可防止电流通过它。实际上，非常少量的电流可以并且确实会通过反向偏置二极管，称为漏电流，但在大多数情况下可以忽略不计。

二极管承受反向偏压的能力是有限的，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，可从制造商处获得。与正向电压一样，二极管的 PIV 额定值随温度而变化，除了 PIV随温度升高而增加，而随着二极管变冷而降低——这与正向电压正好相反。

二极管曲线：显示 Si 正向偏置 0.7 V 时的拐点，以及反向击穿

通常，通用“整流器”二极管的 PIV 额定值在室温下至少为 50 伏。PIV 额定电压为数千伏的二极管价格适中。

检查：

二极管是一种电气元件，用作电流的单向阀。

当电压以二极管允许电流的方式施加在二极管上时，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。

导通的正向偏置二极管上的压降称为正向电压。二极管的正向电压仅会随着正向电流和温度的变化而略有变化，并且由 PN 结的化学成分决定。

硅二极管的正向电压约为 0.7V。

锗二极管的正向电压约为 0.3V。

二极管在不“击穿”的情况下可以承受的最大反向偏置电压称为峰值反向电压或PIV额定值。

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