一、二极管概念
1.1 二极管概念
二极管是用半导体材料 (硅、硒、锗等) 制成的一种电子器件。
二极管有两个电极：
- 正极，又叫阳极
- 负极，又叫阴极
给二极管两极间加上正向电压时，二极管导通。加上反向电压时，二极管截止。
二极管的导通和截止，则相当于开关的接通与断开。二极管具有单向导电性能，导通时电流方向是由阳极通过管子流向阴极。
1.2 二极管的 PN 结
N 型半导体中，电子可以任意方向流动，等价于导体：
在 P 形半导体中，自由电子没有那么多：
将 P 形和 N 型半导体连在一起，电子填满 P 型半导体的空穴，即可构成二极管：
如果我们将电流反向，空穴则不会被填满，这就是二极管的原理：
二极管例图：
详细的图如下：
1.3 二极管不是负载
如果按照上图所示对二极管施加电压，二极管会因为过流烧毁。
假设：
- VCC = 12V
- 二极管正向压降 ≈ 0.7V
电路会试图让：
- 12V 直接压在 0.7V 器件上，剩下 11.3V 没地方消耗。
电流理论上趋近于：
= 电流
如上图中 R ≈ 0，所以 I 非常大，导致二极管烧毁。
1.3 一般二极管伏安特性曲线
下图中：
PN 结没有电压的状态：
- 电流 I = 0
PN 是正电压状态：
- u < Uon 时，正向电路 I ≈ 0
- u > Uon 时，正向电流 I 随电压增长 u 随指数增长
N 加外加反向电压：
- u < Ubr 时，反向电流 I = Is， Is 很小，通常忽略不计
- u > Ubr 时，反向电流 I 急剧增加，称之为反向击穿，此原理制成稳压管，TVS 管等
其中：Uon 为正常开启电压，Ubr 为反向击穿电压。
得出结论：
- PN结具有单向导电性。 外加正向且大于 Uon 开启电压时，PN 结导通
- 外加正向且小于 Uon 或外加反向且小于 Ubr 时，PN 结截止
- 外加反向电压且大于 Ubr 时，PN 结反向击穿
二、二极管类型
2.1 通用二极管
典型代表：1N4148 (小信号)、1N4007 (整流系列)
结构：标准 PN 结二极管
特性：
- 正向压降：≈ 0.7V
- 反向恢复时间：中等（μs 级）
- 漏电流：小
- 成本：低
用途：
- 信号检测
- 小电流整流
- 逻辑保护
2.2 整流二极管
典型型号：1N5408、FR107 (快恢复)
结构：PN 结二极管，只是做得更大、更耐压、更耐流
特点：
- 电流能力：大 (1A ~ 几十 A)
- 耐压：高 (几百 V ~ 几千 V)
- 正向压降：~0.7 -- 1V
- 反向恢复：慢 (普通型)
2.3 肖特基二极管
定义：以发明人肖特基博士 (Schottky) 命名，SBD (Schottky Barrier Diode) 是肖特基势垒二极管的缩写，不同于一般二极管的 P 半导体和 N 半导体接触形成，肖特基二极管是利用金属和半导体接触形成。
肖特基的两个主要特点，一个是正向导通压降比较低，一般在 0.15-0.5V 之间，导通压降低可以提高系统的效率。
还有一个是反向恢复时间短，一般在几个纳秒。大电流的肖特基二极管常用来作为整流管。小电流的肖特基，经常用作续流二极管，因为其反向恢复时间短的优点。
2.4 快回复二极管与肖特基二极管的区别
- 快回复二极管的反向恢复时间为数百纳秒，超快恢复型的在 100 纳秒以下
- 肖特基一般几十，最小的几个纳秒
- 快回复二极管反向耐压高，一般都高于 200V，高的上千 V
- 肖特基用在低压场合，反向耐压 100V 以下，一般在几十 V 左右
- 肖特基的正向导通压降一般比快回复二极管更低
- 快回复二极管功耗大，肖特基二极管损耗及噪声小
典型型号：SS34、MBR20100
结构：不是 PN 结，金属 --- 半导体结 (Schottky Barrier) 没有少数载流子存储。
特点：
- 正向压降：0.2 ~ 0.4V (很低)
- 反向恢复时间：几乎为 0 (没有反向恢复问题)
- 开关速度：非常快
- 反向耐压：一般较低
- 漏电流：比 PN 结大
开关电源都喜欢用肖特基，因为如果用普通二极管会有：
- 反向恢复电流大
- 开关管损耗大
- 发热严重
- 效率低
而肖特基二极管则没有这些问题，所以 DC-DC 二次侧基本都是肖特基。
2.5 汇总
| 对比项 | 普通PN | 整流PN | 肖特基 |
|---|---|---|---|
| 结构 | PN | PN | 金属-半导体 |
| 正向压降 | ~0.7V | ~0.7~1V | 0.2~0.4V |
| 反向恢复 | 有 | 有 | 几乎没有 |
| 高频能力 | 一般 | 差 | 非常强 |
| 漏电流 | 小 | 小 | 大 |
| 适合高压 | 可以 | 很好 | 一般较低 |
二、二极管参数
概述 (General description)
- 平面型肖特基势垒二极管，带有集成保护环 (guard ring) 以增强抗应力能力，采用非常小且扁平引脚的 SOD323F (SC-90) 表面贴装塑料封装。
特性与优点 (Features and benefits)
- 低正向电压
- 反向电压 VR ≤ 100 V
- 非常小且扁平的 SMD 塑料封装
- 低电容
应用 (Applications)
- 高速开关
- 线路终端
- 电压钳位
- 反极性保护
2.1 快速参考数据 (Quick reference data)
4.1 VR (反向电压)
- 定义：二极管在反向偏置状态下，允许承受的最大电压
- 条件：绝对最大额定值（Absolute Maximum Rating）
- 数值：最大 100 V
- 说明：工作时反向电压不能超过 100V，否则可能发生击穿损坏
4.2 IF (正向电流)
- 定义：二极管正向导通时允许的最大连续电流
- 条件：环境温度 Tamb = 25℃
- 数值：最大 250 mA
- 说明：超过此电流可能导致过热或热失效
4.5 IR (反向漏电流)
- 定义：反向偏置时流过二极管的漏电流
- 条件：VR = 75 V，Tamb = 25℃
- 数值：典型 1 µA，最大 4 µA
- 说明：温度升高时漏电流会明显增加
2.2 极限值 (Limiting values)
4.1 VR (反向电压)
- 定义：二极管在反向偏置状态下，允许承受的最大电压
- 条件：绝对最大额定值（Absolute Maximum Rating）
- 数值：最大 100 V
- 说明：工作时反向电压不能超过 100V，否则可能发生击穿损坏
4.2 IF (正向电流)
- 定义：二极管正向导通时允许的最大连续电流
- 条件：环境温度 Tamb = 25℃
- 数值：最大 250 mA
- 说明：超过此电流可能导致过热或热失效
4.3 IFSM (浪涌电流)
- 定义：非重复峰值正向电流
- 条件：tp < 10 ms，方波，初始结温 25℃
- 数值：最大 2.5 A
- 说明：用于承受短时间冲击电流（如上电瞬间）
2.2.4 Ptot (总功耗)
- 定义：器件允许的最大功率耗散
- 条件 1：标准 FR4 PCB，单面铜箔，Tamb ≤ 25℃
- 数值：最大 400 mW
- 条件 2：带 1 cm² 阴极焊盘散热
- 数值：最大 715 mW
- 说明：焊盘面积越大，散热越好，允许功耗越高
2.2.5 Tj (结温)
- 定义：半导体芯片内部允许的最高温度
- 条件：工作状态
- 数值：最大 150℃
- 说明：超过该温度将造成不可逆损坏
2.2.6 Tamb (环境温度)
- 定义：器件工作时的环境温度范围
- 数值：-55℃ ～ 150℃
2.2.7 Tstg (存储温度)
- 定义：器件在非工作状态下允许的存储温度范围
- 数值：-65℃ ～ 150℃
2.3 电气特性 (Characteristics)
2.3.1 VF（正向电压）
VF @ IF = 0.1 mA
- 定义：在小电流导通时的正向压降
- 条件：IF = 0.1 mA，Tamb = 25℃
- 数值：典型 175 mV，最大 200 mV
- 说明：小信号应用时压降极低
VF @ IF = 10 mA
- 定义：中小电流导通时的正向压降
- 条件：IF = 10 mA，Tamb = 25℃
- 数值：典型 315 mV，最大 350 mV
- 低温条件：Tj = -40℃ 时最大 470 mV
- 说明：温度越低，正向压降越高
VF @ IF = 50 mA
- 定义：中等电流时的正向压降
- 条件：IF = 50 mA，Tamb = 25℃
- 数值：典型 415 mV，最大 475 mV
- 低温条件：Tj = -40℃ 时最大 560 mV
VF @ IF = 250 mA
- 定义：最大额定电流下的正向压降
- 条件：IF = 250 mA，Tamb = 25℃
- 数值：典型 710 mV，最大 850 mV
2.3.2 IR (反向漏电流)
IR @ VR = 1.5 V
- 定义：低反向电压下的漏电流
- 条件：Tamb = 25℃
- 数值：典型 0.2 µA，最大 0.5 µA
- 高温条件：Tj = 60℃ 时最大 12 µA
IR @ VR = 10 V
- 数值：典型 0.3 µA，最大 0.8 µA。60℃ 时最大 20 µA
IR @ VR = 50 V
- 数值：典型 0.7 µA，最大 2 µA。60℃ 时最大 44 µA
IR @ VR = 75 V
- 数值：典型 1 µA，最大 4 µA。60℃ 时最大 80 µA
IR @ VR = 100 V
- 数值：典型 2 µA，最大 9 µA。60℃ 时最大 120 µA。85℃ 时最大 600 µA
- 说明：漏电流随温度呈指数上升，这是肖特基器件典型特性
2.3.3 Cd (结电容)
- 定义：反向偏置时的结电容
- 条件：f = 1 MHz，Tamb = 25℃
- 数值：VR = 0 V 时最大 39 pF。VR = 1 V 时最大 21 pF
- 说明：反向电压升高，结电容减小
2.3.4 trr (反向恢复时间)
- 定义：由正向导通切换到反向截止所需时间
- 条件：IF = 10 mA，IR = 10 mA，IR(meas) = 1 mA，RL = 100 Ω，Tamb = 25℃
- 数值：典型 5.9 ns
- 说明：肖特基没有明显存储电荷，恢复极快
四、普通二极管，肖特基，整流管选型技巧
- 根据用途，确定二极管的类型，肖特基还是普通二极管，快回复还是大整流管。
- 根据电路正常工作的最大电流，以及瞬间能产生的最大电流，确定二极管的 Io 和 Ifsm 值。
- 根据电路能出现大最大反向电压，确定 VR 值。
- 根据电路功耗要求,确定反向电流 IR，肖特基的,一般都很小，1uA 左右,低功耗应用，也要非常注意。
- 根据输出电压的要求，确定 vi 的值。
这个要特别考虑,如上图, Vfmax=0.6V@If=200mA，指的是正向电流在200mA时，二极管正向压降最大不超过0.6V。
一定范围内，二极管的正向电压其实和正向电流成正比，电流越大，压降越大，这个时候要看一下我们的实际电路电流情况。
同时也要看一下工作温度,正向压降和工作温度也强相关。
这个时候，需要看一下二极管的VF-IF曲线，作为参考选型。
五、典型用途
5.1 续流二极管
续流二极管 (Flyback diode)，其实就是二极管，在电路中充当的作用是续流，常采用肖特基二极管或者快恢复二极管作为续流二极管。
有在使用感性器件的电路中常见续流二极管，如 DC-DC 电路、继电器控制电路、蜂鸣器控制电路等。
举个例子：如下的三极管驱动继电器电路中，会加入续流二极管保护三极管。
原理是：继电器吸合状态，通过继电器线圈的电流是从上往下，但是在继电器断开状态，线圈上会产生反向的感应电动势。如图所示，线圈的上端会变为负，下端变为正，加一个续流二极管，和线圈形成了一个放电回路，电流方向是从下往上，避免损坏三极管。
