信号二极管详细教程

半导体信号二极管是一种小型非线性半导体器件，通常用于无线电、电视和数字逻辑电路等涉及小电流或高频的电子电路中。

与较大的功率二极管相比，点接触二极管或玻璃钝化二极管形式的信号二极管的物理尺寸非常小。

通常，小信号二极管的PN结被封装在玻璃中以保护PN结，并且通常在其本体的一端有红色或黑色带以帮助识别哪一端是阴极端子。所有玻璃封装信号二极管中使用广泛的是非常常见的1N4148及其等效的1N914信号二极管。

与整流二极管相比，小信号和开关二极管的功率和额定电流要低得多，约为 150mA、 500mW，但它们在高频应用或处理短时脉冲波形的削波和开关应用中可以更好地发挥作用。

锗和硅类型的信号点接触二极管的特性不同，如下所示：

1. 锗信号二极管– 这些二极管具有较低的反向电阻值，可在结处提供较低的正向电压降，通常仅为 0.2 至 0.3V 左右，但由于其较小的结面积，因此具有较高的正向电阻值。

2. 硅信号二极管– 这些二极管具有非常高的反向电阻值，并在结点上产生约 0.6 至 0.7V 的正向压降。它们的正向电阻值相当低，因此正向电流和反向电压的峰值很高。

任何类型二极管的电子符号都是末端带有条或线的箭头，如下图所示以及稳态 VI 特性曲线。

硅二极管 VI 特性曲线

信号二极管特性曲线

箭头始终指向流经二极管的常规电流方向，这意味着只有将正电源连接到阳极( a  ) 端子并将负电源连接到阴极(  k  ) 端子时，二极管才会导通。允许电流仅沿一个方向流过，其作用更像是单向电动阀（正向偏置条件）。

然而，我们从之前的教程中知道，如果我们以另一个方向连接外部能源，二极管将阻止任何流过它的电流，而是像打开的开关一样工作（反向偏置条件），如下所示。

正向和反向偏置二极管

信号二极管偏置

那么我们可以说，理想的小信号二极管在一个方向上传导电流（正向传导）并在另一个方向上阻止电流（反向阻断）。信号二极管具有广泛的应用，例如整流器、限流器、电压缓冲器或波形整形电路中的开关。

信号二极管参数

信号二极管的制造具有一定的电压和电流额定值，因此在为特定应用选择二极管时必须小心。有一系列与不起眼的信号二极管相关的令人眼花缭乱的静态特性，但更重要的是。

1. 正向电流

正向电流(  I F(max)  ) 顾名思义是允许流过器件的正向电流。当二极管在正向偏置条件下导通时，它在 PN 结上具有非常小的“导通”电阻，因此，功率在该结上以热量的形式耗散（欧姆定律）。

然后，超过其 (  I F(max)  ) 值将导致结处产生更多热量，二极管将因热过载而失效，通常会带来破坏性后果。当二极管在其额定电流附近工作时，提供额外的冷却以散发二极管产生的热量。

例如，我们的小型1N4148信号二极管在25 ℃时的额定电流约为150mA，功耗为500mW。那么必须在二极管上串联一个电阻来限制正向电流，(  I F(max)  ）通过它低于该值。

2. 峰值反向电压

峰值反向电压(PIV) 或反向电压(  VR (max) ) 是可施加在二极管上而不会导致器件发生反向击穿和损坏的 允许反向工作电压。因此，该额定值通常低于反向偏置特性曲线上的“雪崩击穿”水平。V R(max)的典型值范围从几伏到数千伏，更换二极管时必须予以考虑。

峰值反向电压是一个重要参数，主要用于交流整流电路中的整流二极管，参考正弦波形在每个周期从正值变为负值时的电压幅度。

3. 总功耗

信号二极管具有总功耗(  PD (max)  ) 额定值。该额定值是二极管正向偏置（导通）时可能的功耗。当电流流过信号二极管时，PN 结的偏置并不完美，会对电流产生一定的阻力，导致功率以热量的形式在二极管中耗散（损失）。

由于小信号二极管是非线性器件，PN 结的电阻不是恒定的，它是一种动态特性，因此我们不能像电阻一样使用欧姆定律以电流和电阻或电压和电阻来定义功率。然后，为了找到二极管消耗的功率，我们必须将其两端的压降乘以流过它的电流：PD  = V*I

4. 工作温度

工作温度实际上与二极管的结温（  T J ）有关 ，并且与功耗有关。它是二极管结构恶化之前允许的温度，以摄氏度/瓦特 (  o C/W  ) 为单位表示。

该值与器件的正向电流密切相关，因此在该值下结点温度不会超过。然而，正向电流还取决于器件运行时的环境温度，因此正向电流通常针对两个或多个环境温度值（例如 25 o C 或 70 o C）进行引用。

选择或更换信号二极管时必须考虑三个主要参数，它们是：

反向电压额定值
正向电流额定值
正向功耗额定值

信号二极管阵列

当空间有限或需要匹配的开关信号二极管对时，二极管阵列会非常有用。它们通常由低电容高速硅二极管组成，例如 1N4148，这些二极管在称为阵列的多个二极管封装中连接在一起，用于数字电路中的开关和钳位。它们采用单列直插式封装 (SIP)，其中包含 4 个或更多内部连接的二极管，以提供单独的隔离阵列、共阴极 (CC) 或共阳极 (CA) 配置，如图所示。

信号二极管阵列

信号二极管阵列还可用于数字和计算机电路中，以保护高速数据线或其他输入/输出并行端口免受静电放电 (ESD) 和电压瞬变的影响。

如图所示，通过在电源轨上串联两个二极管，并将数据线连接到其结点，任何不需要的瞬变都会迅速消散，并且由于信号二极管采用 8 倍阵列，因此它们可以保护单个封装中的 8 条数据线。

信号二极管保护

CPU数据线保护

信号二极管阵列还可用于将二极管串联或并联连接在一起，以形成电压调节器或降压型电路，甚至产生已知的固定参考电压。

我们知道硅二极管的正向压降约为 0.7v，通过将多个二极管串联在一起，总压降将是每个二极管的各个压降之和。

然而，当信号二极管串联在一起时，每个二极管的电流将相同，因此不得超过正向电流。

串联信号二极管

小信号二极管的另一个应用是创建稳压电源。二极管串联在一起，在二极管组合上提供恒定的直流电压。尽管从串联组合汲取的负载电流发生变化或为其供电的直流电源电压发生变化，二极管两端的输出电压仍保持恒定。考虑下面的电路。

串联信号二极管

串联整流器

由于硅二极管的正向压降几乎恒定在0.7v左右，而流经硅二极管的电流变化相对较大，因此正向偏置信号二极管可以构成简单的稳压电路。从电源电压中减去每个二极管上的单独压降，以在负载电阻器上留下一定的电压电势，在上面的简单示例中，该电势为10v – ( 3*0.7V ) = 7.9V。

这是因为每个二极管都有一个与流过它的小信号电流相关的结电阻，并且串联的三个信号二极管将具有该电阻值的三倍，与负载电阻R一起形成电源两端的分压器。

通过串联添加更多的二极管，将会产生更大的电压降低。串联二极管也可以与负载电阻并联放置，以充当电压调节电路。这里施加到负载电阻的电压将为3*0.7v = 2.1V。我们当然可以使用单个齐纳二极管产生相同的恒压源。电阻器R D用于防止负载移除时流过二极管的过大电流。

续流二极管

信号二极管还可用于各种钳位、保护和波形整形电路，常见的钳位二极管电路形式是使用与线圈或感性负载并联的二极管，以防止损坏精密的开关电路。抑制负载突然“关闭”时产生的电压尖峰和/或瞬变。这种类型的二极管通常被称为“续流二极管”、“续流二极管”或简称为续流二极管，因为它更常见。

续流二极管用于保护固态开关（例如功率晶体管和 MOSFET）免受电池反向保护以及继电器线圈或电机等高电感负载的损坏，其连接示例如下所示。

续流信号二极管的使用

飞轮

现代快速开关功率半导体器件需要快速开关二极管（例如续流二极管）来保护它们免受电机线圈或继电器绕组等感性负载的影响。每次上述开关器件“导通”时，续流二极管都会因反向偏置而从导通状态变为截止状态。

然而，当器件快速“关闭”时，二极管变为正向偏置，并且线圈中存储的能量崩溃导致电流流过续流二极管。如果没有续流二极管的保护，就会出现高 di/dt 电流，导致电路周围出现高电压尖峰或瞬变，可能损坏开关器件。

此前，半导体开关器件（无论是晶体管、MOSFET、IGBT 还是数字器件）的运行速度都因在感性负载上添加续流二极管而受到影响，而在某些应用中则使用肖特基二极管和齐纳二极管。但在过去几年中，续流二极管重新获得了重要性，这主要是由于其反向恢复特性的改进以及能够在高开关频率下工作的超快半导体材料的使用。

这里未包括的其他类型的专用二极管包括光电二极管、PIN 二极管、隧道二极管和肖特基势垒二极管。通过在基本的两层二极管结构中添加更多 PN 结，可以制造其他类型的半导体器件。

例如，三层半导体器件变成晶体管，四层半导体器件变成晶闸管或可控硅整流器，并且也可以使用称为三端双向可控硅开关元件的五层器件。