二极管和八大电路保护

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　　作为一名电子工程师，对于电路不说必须要非常精通，但至少能够看得懂电路，知道电路保护器件的作用，在客户提出防护需求时，及时给出有效且具有实施性的整改意见。
9 J3 C6 H* D4 n- N2 T电路保护元器件应用领域广泛，只要有电的地方就有安装电路保护元器件的必要，如各类家用电器、家庭视听及数码产品、个人护理等消费类电子产品、计算机及其周边、手机及其周边、照明、医疗电子、汽车电子、电力、工业设备等，涵盖人们生产生活的方方面面。
6 l, \5 j5 y; l$ \0 C9 ^电路保护主要有两种形式：过压保护和过流保护。选择适当的电路保护器件是实现高效、可靠电路保护设计的关键，涉及到电路保护器件的选型，我们就必须要知道各电路保护器件的作用。在选择电路保护器件的时候我们要知道保护电路不应干扰受保护电路的正常行为，此外，其还必须防止任何电压瞬态造成整个系统的重复性或非重复性的不稳定行为。
" t2 |. {7 r% [! {防雷过压器件分为钳位型过压器件和开关型过压器件，开关型过压器件就是我们熟知的防雷器件：陶瓷气体放电管、半导体放电管和玻璃放电管；钳位型过压器件有瞬态抑制二极管、压敏电阻、贴片压敏电阻和 ESD 放电二极管；过流器件则以 PTC 元件自恢复保险丝为主，以下是其具体作用：
1．放电管的作用：放电管常用于多级保护电路中的级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用，放电管是通过将电压限制在较低的水平，从而起到保护作用。硕凯电子的放电管又分为气体放电管和固体放电管，气体放电管主要以陶瓷气体放电管和玻璃气体放电管为主，具体应用中放电管类别和型号的选择则需要工程师根据产品应用端口的防护等级以及相关选型参数来确定。
2．瞬态抑制二极管的作用：瞬态抑制二极管能以 10 的负 12 次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。
3．压敏电阻的作用：压敏电阻是一种限压型保护器件，电路保护中主要是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。
& _! g9 a" u" \& h' T9 {, f7 j4．贴片压敏电阻的作用：贴片压敏电阻主要用于保护元件和电路，防止在电源供应、控制和信号线产生的 ESD。
! U* {# ~6 N: F" r) L' ?5．ESD 静电放电二极管的作用：ESD 静电放电二极管是一种过压、防静电保护元件，是为高速数据传输应用的 I/O 端口保护设计的器件。ESD 保护器件是用来避免电子设备中的敏感电路受到 ESD（静电放电）的影响。可提供非常低的电容，具有优异的传输线脉冲（TLP）测试，以及 IEC6100-4-2 测试能力，尤其是在多采样数高达 1000 之后，进而改善对敏感电子元件的保护。
6．PTC 自恢复保险丝的作用：电路正常工作时它的阻值很小（压降很小），当电路出现过流使它温度升高时，阻值急剧增大几个数量级，使电路中的电流减小到安全值以下，从而使后面的电路得到保护。当故障排除之后，PPTC 元件很快冷却并将回复到原来的低电阻状态，这样又象一只新的 PPTC 元件一样可以重新工作了。
7．电感的作用：电磁的关系相信大家都清楚，电感的作用就是在电路刚开始的时候，一切还不稳定的时候，如果电感中有电流通过，就一定会产生一个与电流方向相反的感应电流（法拉第电磁感应定律），等到电路运行了一段时间后，一切都稳定了，电流没有什么变化了，电磁感应也就不会产生电流，这时候就稳定了，不会出现突发性的变故，从而保证了电路的安全，就像水车，一开始由于阻力转动的比较慢，后来慢慢趋于平和。电感还有一个作用就是通直流，阻交流，这个用的不多，我也不太清楚具体怎么用，等用到了再和大家分享。
' Z4 E7 `. }9 L( \: O8．磁珠的作用：磁珠有很高的电阻率和磁导率，他等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。他比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果，在以太网芯片上用到过。
再具体谈一下二极管基础知识——分类，应用，特性，原理，参数。
二极管的特性与应用
几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。
& {; s6 V% s. V! L二极管的应用
  H4 Z- e/ {; F8 |# K1、整流二极管
3 V5 \- n! s# P9 I4 J  F利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。
4 Y( @: g2 Y- D2、开关元件
二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。
9 d  Z& `% H+ \3、限幅元件
二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为 0.7V，锗管为 0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。
. D+ t% g5 N6 ~9 B4 a0 |, J% r4、继流二极管
, Y2 w$ v8 @. e+ `9 I% R2 h在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。
0 N" \# I  X& o* N1 j0 Y5、检波二极管
9 H* o2 z# }$ l2 S$ M0 Q! k+ l: W在收音机中起检波作用。
6、变容二极管
使用于电视机的高频头中。
- L) E" r. H- I1 \二极管的工作原理
晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形成的 p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流 I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n 结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
二极管的类型
二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge 管）和硅二极管（Si 管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN 结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN 结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。
一、根据构造分类
半导体二极管主要是依靠 PN 结而工作的。与 PN 结不可分割的点接触型和肖特基型，也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内，根据 PN 结构造面的特点，把晶体二极管分类如下：
- H4 V& M; e1 y0 {. V/ i1、点接触型二极管
% Q1 c! N+ C8 y4 t点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其 PN 结的静电容量小，适用于高频电路。但是，与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。
" C# @7 Y0 C% x  u& ?8 R7 G2、键型二极管
键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的。其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较，虽然键型二极管的 PN 结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。多作开关用，有时也被应用于检波和电源整流（不大于 50mA）。在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。
3、合金型二极管
在 N 型锗或硅的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作 PN 结而形成的。正向电压降小，适于大电流整流。因其 PN 结反向时静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。
4、扩散型二极管
9 p8 q& y+ c  A# o" d& i0 ]在高温的 P 型杂质气体中，加热 N 型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部变成 P 型，以此法 PN 结。因 PN 结正向电压降小，适用于大电流整流。近，使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。
& F8 K0 g. C2 h( C% t2 `5、台面型二极管
; _+ b& u1 Q$ {6 J. J  PPN 结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留 PN 结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此，又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。
6、平面型二极管
8 r8 e  B5 p+ ?! d3 V( R在半导体单晶片（主要地是 N 型硅单晶片）上，扩散 P 型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在 N 型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的 PN 结。因此，不需要为调整 PN 结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整，故而得名。并且，PN 结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。
! k6 U1 a4 U( L7、合金扩散型二极管
它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质，就能与合金一起过扩散，以便在已经形成的 PN 结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。
8、外延型二极管
用外延面长的过程制造 PN 结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。
" y' e! n, [: K2 A% V9、肖特基二极管
基本原理是：在金属（例如铅）和半导体（N 型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与 PN 结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有 40V 左右。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间 trr 特别地短。因此，能制作开关二极和低压大电流整流二极管。
二、根据用途分类
1、检波用二极管
+ _2 L( X3 @5 r; T. Z  ^6 _就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流小于 100mA 的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达 400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为 2AP 型。类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。
  `7 ^9 x, s1 M/ C1 l) k2、整流用二极管
就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流大于 100mA 的叫整流。面结型，工作频率小于 KHz，反向电压从 25 伏至 3000 伏分 A～X 共 22 档。分类如下：①硅半导体整流二极管 2CZ 型、②硅桥式整流器 QL 型、③用于电视机高压硅堆工作频率近 100KHz 的 2CLG 型。
3、限幅用二极管
大多数二极管能作为限幅使用。也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。也有这样的组件出售：依据限制电压需要，把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。
4、调制用二极管
通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是直接作为调频用。
5、混频用二极管
使用二极管混频方式时，在 500～10，000Hz 的频率范围内，多采用肖特基型和点接触型二极管。
6、放大用二极管
用二极管放大，大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的放大，以及用变容二极管的参量放大。因此，放大用二极管通常是指隧道二极管、体效应二极管和变容二极管。
7、开关用二极管
$ \, W0 k+ M9 v( S: Q/ L. h有在小电流下（10mA 程度）使用的逻辑运算和在数百毫安下使用的磁芯激励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管，也有在高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特长是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短，因而是理想的开关二极管。2AK 型点接触为中速开关电路用；2CK 型平面接触为高速开关电路用；用于开关、限幅、钳位或检波等电路；肖特基（SBD）硅大电流开关，正向压降小，速度快、效率高。
. [4 ^4 g( K, v# H3 A6 ]& w7 Q; t8、变容二极管
' e4 h2 O( T7 S3 P用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压， 使其 PN 结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压 VR 变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。
9、频率倍增用二极管
5 ?+ a! t' V  l3 _( B. D- n$ w, z- Z对二极管的频率倍增作用而言，有依靠变容二极管的频率倍增和依靠阶跃（即急变）二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器，可变电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同，但电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管，从导通切换到关闭时的反向恢复时间 trr 短，因此，其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波，那么，因 tt（转移时间）短，所以输出波形急骤地被夹断，故能产生很多高频谐波。
10、稳压二极管
5 ^2 X: S* z9 g8 z- Y. r! J是代替稳压电子二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压（又称齐纳电压）从 3V 左右到 150V，按每隔 10%，能划分成许多等级。在功率方面，也有从 200mW 至 100W 以上的产品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动态电阻 RZ 很小，一般为 2CW 型；将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为 2DW 型。
8 e. Q- W9 a/ V) }- Z! M11、PIN 型二极管（PIN Diode）
这是在 P 区和 N 区之间夹一层本征半导体（或低浓度杂质的半导体）构造的晶体二极管。PIN 中的 I 是“本征”意义的英文略语。当其工作频率超过 100MHz 时，由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，“本征”区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入“本征”区，而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此，可以把 PIN 二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。
2 V7 c+ k' {/ z% d" w12、 雪崩二极管 （Avalanche Diode）
它是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是栾的：利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间，所以其电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的振荡电路中。
13、江崎二极管 （Tunnel Diode）
8 b- f6 ?: h( Q它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。其基底材料是砷化镓和锗。其 P 型区的 N 型区是高掺杂的（即高浓度杂质的）。隧道电流由这些简并态半导体的量子力学效应所产生。发生隧道效应具备如下三个条件：①费米能级位于导带和满带内；②空间电荷层宽度必须很窄（0.01 微米以下）；简并半导体 P 型区和 N 型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。江崎二极管为双端子有源器件。其主要参数有峰谷电流比（IP／PV），其中，下标“P”代表“峰”；而下标“V”代表“谷”。江崎二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应用于高速开关电路中。
14、快速关断（阶跃恢复）二极管 （Step Recovary Diode）它也是一种具有 PN 结的二极管。其结构上的特点是：在 PN 结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成“自助电场”。由于 PN 结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在 PN 结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管的“自助电场”缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中。
15、肖特基二极管 （Schottky Barrier Diode）它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。其正向起始电压较低。其金属层除材料外，还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓，多为 N 型半导体。这种器件是由多数载流子导电的，所以，其反向饱和电流较以少数载流子导电的 PN 结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微，所以其频率响仅为 RC 时间常数限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达 100GHz。并且，MIS（金属－绝缘体－半导体）肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。
- i: a+ S" o: p. O+ w" M16、阻尼二极管
9 ~/ `6 L, L; C0 I/ Q* W具有较高的反向工作电压和峰值电流，正向压降小，高频高压整流二极管，用在电视机行扫描电路作阻尼和升压整流用。
17、瞬变电压抑制二极管
* [: P* Y9 f4 S6 k6 aTVP 管，对电路进行快速过压保护，分双极型和单极型两种，按峰值功率（500W－5000W）和电压（8.2V～200V）分类。
18、双基极二极管（单结晶体管）
两个基极，一个发射极的三端负阻器件，用于张驰振荡电路，定时电压读出电路中，它具有频率易调、温度稳定性好等优点。
% f7 {2 O) w9 H( t. n19、发光二极管
4 I4 X2 b* I: s/ I* S/ t1 [用磷化镓、磷砷化镓材料制成，体积小，正向驱动发光。工作电压低，工作电流小，发光均匀、寿命长、可发红、黄、绿单色光。
& g' X% U, C7 E* {4 ~+ L- I三、根据特性分类
点接触型二极管，按正向和反向特性分类如下。
1、一般用点接触型二极管
; g/ w1 `: e( J8 \- ~这种二极管正如标题所说的那样，通常被使用于检波和整流电路中，是正向和反向特性既不特别好，也不特别坏的中间产品。如：SD34、SD46、1N34A 等等属于这一类。
2、高反向耐压点接触型二极管
是峰值反向电压和直流反向电压很高的产品。使用于高压电路的检波和整流。这种型号的二极管一般正向特性不太好或一般。在点接触型锗二极管中，有 SD38、1N38A、OA81 等等。这种锗材料二极管，其耐压受到限制。要求更高时有硅合金和扩散型。
3、高反向电阻点接触型二极管
0 _6 [& v' H- E正向电压特性和一般用二极管相同。虽然其反方向耐压也是特别地高，但反向电流小，因此其特长是反向电阻高。使用于高输入电阻的电路和高阻负荷电阻的电路中，就锗材料高反向电阻型二极管而言，SD54、1N54A 等等属于这类二极管。
8 c- \. `7 \, R) x4、高传导点接触型二极管
- Z) ?2 i& `% ^" i; I7 k* v它与高反向电阻型相反。其反向特性尽管很差，但使正向电阻变得足够小。对高传导点接触型二极管而言，有 SD56、1N56A 等等。对高传导键型二极管而言，能够得到更优良的特性。这类二极管，在负荷电阻特别低的情况下，整流效率较高。

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