一、二極管原理

　　二極管，（英語：Diode），電子元件當(dāng)中，一種具有兩個(gè)電極的裝置，只允許電流由單一方向流過，許多的使用是應(yīng)用其整流的功能。而變?nèi)荻O管（Varicap Diode）則用來當(dāng)作電子式的可調(diào)電容器。大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流（Rectifying）”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過（稱為順向偏壓），反向時(shí)阻斷 （稱為逆向偏壓）。因此，二極管可以想成電子版的逆止閥。

　　晶體二極管為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的pn結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于pn結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，pn結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。pn結(jié)的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。

　　二、二極管的構(gòu)造分類

　　半導(dǎo)體二極管主要是依靠PN結(jié)而工作的。與PN結(jié)不可分割的點(diǎn)接觸型和肖特基型，也被列入一般的二極管的范圍內(nèi)。包括這兩種型號(hào)在內(nèi)，根據(jù)PN結(jié)構(gòu)造面的特點(diǎn)，把晶體二極管分類如下：

　　點(diǎn)接觸型

　　點(diǎn)接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過電流法而形成的。因此，其PN結(jié)的靜電容量小，適用于高頻電路。但是，與面結(jié)型相比較，點(diǎn)接觸型二極管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大電流和整流。因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單，所以價(jià)格便宜。

　　面接觸型

　　面接觸型或稱面積型二極管的PN結(jié)是用合金法或擴(kuò)散法做成的，由于這種二極管的PN結(jié)面積大，可承受較大電流，但極間電容也大。這類器件適用于整流，而不宜用于高頻率電路中。

　　鍵型

　　鍵型二極管是在鍺或硅的單晶片上熔金或銀的細(xì)絲而形成的。其特性介于點(diǎn)接觸型二極管和合金型二極管之間。與點(diǎn)接觸型相比較，雖然鍵型二極管的PN結(jié)電容量稍有增加，但正向特性特別優(yōu)良。多作開關(guān)用，有時(shí)也被應(yīng)用于檢波和電源整流（不大于50mA）。在鍵型二極管中，熔接金絲的二極管有時(shí)被稱金鍵型，熔接銀絲的二極管有時(shí)被稱為銀鍵型。

　　合金型

　　在N型鍺或硅的單晶片上，通過加入合金銦、鋁等金屬的方法制作PN結(jié)而形成的。正向電壓降小，適于大電流整流。因其PN結(jié)反向時(shí)靜電容量大，所以不適于高頻檢波和高頻整流。

　　擴(kuò)散型

　　在高溫的P型雜質(zhì)氣體中，加熱N型鍺或硅的單晶片，使單晶片表面的一部變成P型，以此法PN結(jié)。因PN結(jié)正向電壓降小，適用于大電流整流。最 近，使用大電流整流器的主流已由硅合金型轉(zhuǎn)移到硅擴(kuò)散型。

　　臺(tái)面型

　　PN結(jié)的制作方法雖然與擴(kuò)散型相同，但是，只保留PN結(jié)及其必要的部分，把不必要的部分用藥品腐蝕掉。其剩余的部分便呈現(xiàn)出臺(tái)面形，因而得名。初期生產(chǎn)的臺(tái)面型，是對(duì)半導(dǎo)體材料使用擴(kuò)散法而制成的。因此，又把這種臺(tái)面型稱為擴(kuò)散臺(tái)面型。對(duì)于這一類型來說，似乎大電流整流用的產(chǎn)品型號(hào)很少，而小電流開關(guān)用的產(chǎn)品型號(hào)卻很多。

　　平面型

　　在半導(dǎo)體單晶片（主要地是N型硅單晶片）上，擴(kuò)散P型雜質(zhì)，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅單晶片上僅選擇性地?cái)U(kuò)散一部分而形成的PN結(jié)。因此，不需要為調(diào)整PN結(jié)面積的藥品腐蝕作用。由于半導(dǎo)體表面被制作得平整，故而得名。并且，PN結(jié)合的表面，因被氧化膜覆蓋，所以公認(rèn)為是穩(wěn)定性好和壽命長(zhǎng)的類型。最初，對(duì)于被使用的半導(dǎo)體材料是采用外延法形成的，故又把平面型稱為外延平面型。對(duì)平面型二極管而言，似乎使用于大電流整流用的型號(hào)很少，而作小電流開關(guān)用的型號(hào)則很多。

　　合金擴(kuò)散型

　　它是合金型的一種。合金材料是容易被擴(kuò)散的材料。把難以制作的材料通過巧妙地?fù)脚潆s質(zhì)，就能與合金一起過擴(kuò)散，以便在已經(jīng)形成的PN結(jié)中獲得雜質(zhì)的恰當(dāng)?shù)臐舛确植肌４朔ㄟm用于制造高靈敏度的變?nèi)荻O管。

　　外延型

　　用外延面長(zhǎng)的過程制造PN結(jié)而形成的二極管。制造時(shí)需要非常高超的技術(shù)。因能隨意地控制雜質(zhì)的不同濃度的分布，故適宜于制造高靈敏度的變?nèi)荻O管。

　　肖特基

　　基本原理是：在金屬（例如鉛）和半導(dǎo)體（N型硅片）的接觸面上，用已形成的肖特基來阻擋反向電壓。肖特基與PN結(jié)的整流作用原理有根本性的差異。其耐壓程度只有40V左右。其特長(zhǎng)是：開關(guān)速度非常快：反向恢復(fù)時(shí)間trr特別地短。因此，能制作開關(guān)二極管和低壓大電流整流二極管。

　　三、五款常用的二極管應(yīng)用電路

　　1.電源火線指示燈

　　在使用各類家用電器時(shí)，一般要求電器或照明燈的開關(guān)應(yīng)安裝在電源火線上，以確保安全。由于現(xiàn)在大部分住宅都沒有相應(yīng)的電源接地線，因此安裝電源插頭插入插座的隨意性，無法保證電器開關(guān)正好連接在火線上。若因電器漏電，則會(huì)發(fā)生安全事故。而利用一支二極管和氖泡串接在電器插頭電路中，當(dāng)插入插座后，若氖泡燈被點(diǎn)亮，說明電源開關(guān)接在了電源火線上。

　　如插入后氖泡燈不亮，則將插頭拔下?lián)Q向后，再插入插座內(nèi)即可點(diǎn)亮氖泡燈。電路元件接線見圖1所示。

　　2.交流電子門鈴

　　目前大部分家庭住宅都安裝有電子門鈴，而門鈴均采用干電池供電，其唯一的缺點(diǎn)是需經(jīng)常換用電池。不僅麻煩而且電池易腐爛。日久會(huì)造成對(duì)電子元件的損壞。如果利用二極管和一些電阻電容，及一片低電壓的陶瓷片代替發(fā)音喇叭，即能構(gòu)成一個(gè)直接使用220V交流電的電子門鈴。這種采用交流電制作的電子門鈴，成本相當(dāng)?shù)停Ч趾茫ㄩT鈴按鈕開關(guān)必須采用220V電器按鈕開關(guān)）。電路元件接線見圖2所示。

　　3.日光燈低壓低溫啟動(dòng)

　　日光燈照明是很普及的燈具，但在實(shí)際使用過程中，日光燈對(duì)電源電壓和氣候環(huán)境溫度的影響特別大，尤其在氣溫低、電源電壓又過低時(shí)，流過日光燈管的電流大幅度下降，從而使燈管的燈絲因達(dá)不到足夠的預(yù)熱溫度值，不但造成點(diǎn)燃啟動(dòng)困難，燈管也會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間閃爍，縮短使用壽命。

　　如果在燈管電器中串加入二極管，那么當(dāng)冬季氣溫環(huán)境在零攝氏度以下，電源電壓低至180V時(shí)，目光燈管也能在幾秒鐘內(nèi)迅速起跳點(diǎn)亮。電路元件接線如圖3所示。

　　4.延長(zhǎng)白熾燈壽命

　　眾多的高層住宅樓道的照明。一般均采用白熾燈照明。由于白熾燈長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)燃，以及在電源電壓不穩(wěn)定的狀態(tài)下，很容易造成燈泡損壞。如果在樓道燈泡回路中串接入整流二極管，不僅能將燈泡的實(shí)際使用壽命延長(zhǎng)十幾倍，保證正常樓道照明，還可減少經(jīng)常更換燈泡的麻煩和維修。電路元件接線如圖4所示。

　　5.電熱電器限流恒溫

　　日常使用的電烙鐵、電熨斗等一些電熱電器，由于使用時(shí)長(zhǎng)時(shí)間通電工作，不僅大量白白消耗電能，而且經(jīng)常發(fā)生燒壞電熱芯問題。如果在電器電路中串接人二極管，這樣當(dāng)電器間歇停止工作時(shí)，供電電源即由二極管半波整流供電而限制了電流，使加在電器上的電壓下降至50％L三上下，電器處于預(yù)熱狀態(tài)，一旦使用時(shí)圖5中的S閉合，電器轉(zhuǎn)人滿負(fù)荷芷常供電工作。電路元件接線如圖5所示（該電路僅能用于純電阻負(fù)載）。

　　四、二極管串聯(lián)不均壓因素分析

　　二極管串聯(lián)不均壓主要原因來自自身和外部?jī)深悺Ｗ陨碓蛑饕杉庸すに囋斐傻模庖蛑饕怯赏獠侩娐吩斐傻摹Ｍ慌紊a(chǎn)出來二極管的伏安特性不一致，造成二極管的靜態(tài)不均壓;反向恢復(fù)時(shí)間及開通狀態(tài)的不一致造成二極管的動(dòng)態(tài)不均壓目。外部電路設(shè)計(jì)會(huì)造成雜散電感和電容，在高壓高頻環(huán)境中會(huì)造成不均壓?jiǎn)栴}。

　　五、二極管串聯(lián)不均壓誤區(qū)分析

　　1、宏觀下二極管串聯(lián)不均壓分析

　　《二極管串聯(lián)不需要均壓電阻》一文給出二極管串聯(lián)不需均壓，這是從宏觀上分析得出的，主要考慮的是二極管自身因素的影響。如圖1所示，二個(gè)二極管串聯(lián)，外接反向直流電壓。反向飽和電流較小的二極管承受電壓較大，因?yàn)閮蓚€(gè)二極管串聯(lián)，在外部施加電壓額定的J隋況下，反向飽和電流是不變的。如圖2所示，假設(shè)兩個(gè)二極管僅反向飽和電流存在差異，D2的反向飽和電流較小。可以明顯得出上述結(jié)論。

　　在實(shí)際運(yùn)行中，宏觀上二極管由于自身差異導(dǎo)致壓降不同如圖2所示。當(dāng)外界電壓U加大到D2上的壓降到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，由于D1反向飽和電流大導(dǎo)致其壓降相對(duì)較小，當(dāng)D2達(dá)到臨界壓降時(shí)，D1仍然處于安全穩(wěn)定區(qū)域。U再次加大，按照上述分析，D2上壓降將突破臨界轉(zhuǎn)折電壓，二極管擊穿造成電流急劇增加，但是D1和D2是串聯(lián)于主電路中，D1電流必然隨著D2增加，但是從Dl的伏安曲線得知，D1通過大電流時(shí)其反向壓降應(yīng)該達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓，故u1和u2之和大于U，推測(cè)不成立。因此，U加大時(shí)，D2的電壓不會(huì)繼續(xù)增加，而D1的電壓會(huì)繼續(xù)增加，直至u增加到超過二個(gè)管子的反向耐壓之和，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)二極管擊穿。多個(gè)管子的分析也是如此，可參照《二極管串聯(lián)不需要均壓電阻》

　　2、微觀下二極管串聯(lián)不均壓分析

　　二極管的引腳、二極管在電路板上的布局等等在高壓高頻環(huán)境下自然而然演變成雜散電容和電感。雜散電容和電感的引入直接影響二極管的開通和關(guān)斷波形。電容的引入阻止電壓的突變而電感的引入則阻止電流的突變。《用于高壓高頻整流的二極管串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}》給出了在高頻下二極管串聯(lián)等效電路圖，如圖3所示C1為二極管結(jié)電容，R為二極管反向電阻，C2為二極管對(duì)高壓形成的雜散電容，C3為二極管對(duì)地形成的雜散電容，同時(shí)從微觀角度分析了二極管串聯(lián)不均壓的原因及后果。在文獻(xiàn)目中提出二極管自身因素可以通過選用同—批次生產(chǎn)的二極管來近似解決，重點(diǎn)考慮外部因素。

　　六、二極管串聯(lián)的應(yīng)用

　　電除塵器高頻電源輸出高頻PWM波經(jīng)升壓變壓器再經(jīng)過整流模塊最終輸出近似直線的電壓波形。整流模塊集成在升壓變壓器中，采用的是二極管串聯(lián)模式，因?yàn)殡妷旱燃?jí)比較高，一般考慮達(dá)到10KV以上。由于輸出電壓波形精度要求不高，故采用二極管直接串聯(lián)方式即可，選用高頻整流二極管，整流輸出仿真波形如圖4所示，實(shí)測(cè)波形如圖5所示。

　　如圖所示，整流輸出電壓出現(xiàn)高低波峰，這是由于雜散參數(shù)即外部因素的影響，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，二極管的制作工藝在不斷提高，其自身因素的影響已經(jīng)微乎其微。