电路中的基础元件-谈谈二极管

       写在前面的话：这一系列文章主要是讲一些基本元件，虽然有关文章网上一搜一大把，不过我还是比较想从真正设计电路的角度来写一些自己的经验。电路设计大部分功能性电路其实都有固定的电路可以参考了，了解基本元件，有助于更好的设计电路。还有个比较重要的原因，昨天又喜提十几天假期，在家实在是太无聊了。。。。

       说起模拟电路，里面较为重要的应该就是各种二极管，三极管或MOS管了。这篇文章作为系列的开始，先讲讲二极管。

       说起二极管，我第一个想起的就是模电第一章里面讲的PN结。PN结和P型半导体和N型半导体有莫大关系，由于这两种半导体化学特征不同，导致它们的物理特性也不一样，P型半导体“空穴”是“多数载流子”，“电子”是“少数载流子”。N型半导体相反，“电子”是“多数载流子”，“空穴”是“少数载流子”。这里的“空穴”和“电子”其实算是一个化学层面的概念，我们不需要去深究，只需要明白，空穴和电子是可以结合形成稳态的。P型半导体和N型半导体结合，就会在两种半导体的交界处形成PN结，详细的有兴趣可以去自行搜索了解一下。为什么一定要说这个，是因为二极管家族的特性，并不是一个突兀的结论，它是有理论的支撑的。二极管的正向导通性，和利用反向击穿特性做的稳压管，其实都是因为PN结的特性导致的。

       先说下二极管，普通二极管在使用过程中一般没什么特别需要注意的，在集成元件的集成度越来越高的今天，用上普通二极管的地方也并不多。普通二极管在使用的时候需要注意一点，就是它会导致压降，不同二极管压降不一样，硅二极管和锗二极管的压降不一样。硅管会高一点，典型值是0.7V，锗二极管典型值是0.5V。拿较为常用的1N4148举个例子，我随便找了一个厂商的1N4148的数据手册，如下图

看第二个参数，这个其实算是它的导通条件，做一下思考，以第一个的914B/4448为例，如果用一个恒流源正向加在此二极管两端，恒流源输出电流逐渐加大，在未达到5mA时，二极管会有电流通过吗？再换另外一个角度，将一个恒压源正向加在此二甲管两端，电压逐渐增大，在未达到0.62V时，二极管会有电流通过吗？其实是有的，虽然我们一般说，在二极管两端电压小于截止电压时，可以忽略电流的存在，但是在电路精度要求越来越高的现在，不要轻易去忽略。数据手册里面同样有关于这个的数据，如下图

      电流确实不大，是uA级别，但在电路对uA级电流敏感的时候，这个电流就不可以忽视了。说这个的目的，就是想提醒各位，设计的时候大部分时候可能你都可以不考虑这个，但是脑袋里最好还是有这个概念。

      回到一开始说的，一般来说，datasheet里面的Forward Voltage就是在正向导通条件下的压降。设计时，注意一下就好了。

     普通二极管利用的是二极管正向的特性，另一类就是利用的反向击穿的特性。我们常见的稳压管和TVS管都算此列。击穿分两种，齐纳击穿和雪崩击穿，两种击穿的表现是一样的，即击穿后，两端电压基本不会随着电流的变化而变化。 我相信大部分人这个时候都可以想起经典的二极管伏安特性曲线，如下图

       从曲线的来看，当反向电压大于Vz时（也就是已经击穿），曲线会陡然变陡峭，这也意味着横坐标电压随着纵坐标的电流变化会很小，即我们所说的稳压管可以将电压稳定在一个定值。这里我仍然是随便找了一个稳压管德datasheet。参数如下图

      稳压管其实需要关注的参数不多，理论上，仅需关注Vz和Izt即可，Vz就是稳压管击穿后两端的电压值，一般来说，稳压管命名就会包含这个参数。Izt是稳压管击穿时的电流需求，因为我们一般使用稳压管就是为了钳制电压，加在稳压管的电压肯定大于Vz，肯定达到了击穿要求，所以Izt我们一般不太在意。也是因为此，这个系列稳压管的Izt参数放在一个旮旯里面。如下图

      看到上面的伏安特性曲线图，可能会有人有疑问，Vz我知道了，那Vr是什么？Vr并不是一个里程碑式的属性，它就是指的在未达到击穿条件时，稳压管的电压。联系到我前面所说的，普通二极管加上正向电压时，即使正向电压小于导通压降，二极管依然会有电流经过。稳压管也一样，在反向电压未到击穿电压时，依然会有较小电流经过。上面表格的leakage current这一栏就是。

      总的来说，稳压管选用一般关注Vz就够了，其他参数需要时再查阅即可。

      说到稳压管，那就不得不说近似的TVS管。前面也说到了，二极管反向击穿分两种，齐纳击穿和雪崩击穿。使用反向击穿特性的二极管也有两种，TVS管和稳压管。这四个名词有什么关系？我先说下我对TVS管和稳压管的理解。首先，两种二极管相同点是都可以稳压，但是两种二极管的应用场景不一样，稳压管工作状态下，需要通过的电流并不大，稳压管一般常态即为击穿状态，所以通过电流不可能大，不然电路大部分功耗都浪费在稳压管上了。而且稳压管对反应速度要求不高，因为加在稳压管两端的电压一般是持续性的。而TVS关于作用作用就是将瞬间的静电脉冲抑制住，所以，二极管的击穿效应必须快速完成，而且出于泄放能量的需求，TVS管工作时，通过的电流也必须较大，分流大部分能量，保护后级器件。也是因为应用不一样，所以两种二极管所关注的参数并不一样，稳压管肯定不能作为TVS管的替代，那么TVS可以作为稳压管的替代吗？我觉得最好不要，因为一种器件用法不一样，那在制造工艺上对性能参数的要求严格程度也不一样，即使你实在没办法，你不在乎TVS管上功耗过大，TVS管稳压性能也会不尽人意，在下面对TVS管参数介绍时也可以看出这一点。

      再说回两种击穿形式，雪崩击穿和齐纳击穿，这两种击穿形式原理略有不同。那么这两种击穿形式和稳压管/TVS管有对应关系吗？一般来说，稳压管都是齐纳击穿，datasheet在标题处都会注明Zener Voltage Regulators，至于到底是不是稳压管就是齐纳击穿，我不清楚。我只能说从我经验来说，我选用的都是稳压管都是齐纳稳压管。那么TVS管就是雪崩击穿吗？网上众说纷纭，我个人理解是，TVS管一般是雪崩击穿，因为雪崩击穿会在击穿瞬间形成大量载流子，瞬间通过很大的电流。

     说完和稳压管的区别，我们和稳压管一样，随便选取一个TVS管的datasheet来说一下TVS管哪些参数值得去注意。我先放伏安特性曲线

       可以看到，TVS管的伏安特性曲线上，参数比稳压管的要多。先说Vbr，这个参数就是TVS管发生击穿的阈值，也就是说，正常来说，加在TVS管两端的电压肯定不能大于这个电压，那小于这个电压就可以了吗？实际使用时，并不是，我们真正考虑的安全电压时Vrwm，Vrwm是一个小于1的系数乘以Vbr得来的值，Vrwm需要大于或等与电路正常工作时加在TVS管两端的电压。为什么有了Vbr还要使用Vrwm？我个人理解是，出于制造工艺和使用安全性（TVS管一般不能工作，即需要出于截止状态），所以制定了这个参数。打个比方，比如我们一张桌子，结构和材质理论上可以承受100Kg，但是因为生产工艺无法控制的一模一样，出于大规模生产后安全使用的考虑，就标注最大承重80Kg，这样无论哪种桌子，再差也不会被80kg的重量压垮。

      Vc则是TVS管在击穿状态下，脉冲峰值电流通过TVS管时，TVS管两端的电压。看到这儿，可能有人就会有疑问了，好像没说稳压电压？Vc是否是？从定义上讲，Vc不是，那实际是吗？Vc在datasheet里面的特性如下

     可以看到，Vc在不同电流下，变化较大，所以Vc只能说是最大 箝位电压，在脉冲峰值电流Ipp的条件下，TVS管的两端电压。所以，大家最好还是将TVS管和稳压管分开来看待，不要混淆。

    Vc的意义在于，选型时结合电路的电流，来考虑Vc会到多大。Vc的最大值不要超过电路所能承受的电压值，以免损坏器件。

    日常选型中，还有一个名词应该会经常看到，肖特基二极管，肖特基二极管主要特点就是高速，导通电压较小。

      二极管根据作用还可以分出很多种，比如续流二极管，这里就不介绍了，本篇文章主要在于思考二极管这个器件的特性，怎么利用特性运用在电路里，就是另一个故事了。一般来说，一个器件在电路中的运用都是有较为固定的套路，掌握了二极管的特性，再去理解，应该会更快些，选型上也不会摸不着头脑。

      写这篇文章时，想起之前和同事们讨论过这些，一眨眼时间过去了，希望每个人都有光明的前程。

      因为水平有限，如有错误，还请不吝指教。

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