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OhmPedia半导体器件二极管

二极管

Diode I = I_S (e^(V/nV_T) − 1)

符号
I = I_S (e^(V/nV_T) − 1)
单位
V_T ≈ 25.85 mV at 300 K · n = 1…2 · I_S in pA…nA
所属节
半导体器件
发布
2026-08-23
作者

二极管是 PN 结,其电流是正向电压的指数函数。正向下超过膝点后导通迅速上升;反向下则阻断,直到超过反向耐压。指数特性使它既可以做开关、钳位,也可以做基准和检波,取决于偏置方式。

两端 PN 结器件,正向电压超过约 0.6 V 后只沿一个方向导通。

正向膝点、反向阻断,以及左侧陡峭的击穿。
正向膝点、反向阻断,以及左侧陡峭的击穿。
支配关系式 I = I_S (e^(V / nV_T) − 1) V_T = kT / q ≈ 25.85 mV at 300 K V_T ≈ 25.85 mV at 300 K · n = 1…2 · I_S in pA…nA

指数关系与 60 mV 的意义

室温下正向电压每增加约 60 mV,正向电流大致增大十倍。这就是正向压降在五个数量级的电流范围内都维持在 0.7 V 附近的原因,也是它并非常数的原因:10 mA 时压降约 0.70 V,同一只管子 10 µA 时只有约 0.46 V。任何把 0.7 V 当作精确值的电路,在低电流时会有几十毫伏的误差。

各类二极管与适用场合

正向压降与反向恢复时间是决定选型的两项参数。

类型额定电流下 V_F反向恢复典型用途
硅 PN(1N400x)0.9 – 1.1 V2 – 30 µs50/60 Hz 整流
肖特基(1N581x)0.3 – 0.5 V几乎为零开关电源续流、低压或合
快恢复 / 超快恢复1.0 – 1.4 V50 – 200 ns高频整流
小信号二极管10 mA 时 0.7 V≈ 4 ns钳位、检波、逻辑

反向击穿并非总是致命的

普通整流管反向超压会损坏,但有两类是有意设计成击穿工作的:稳压二极管利用可控击穿作基准;雪崩二极管则设计为能承受反复脉冲,用作瞬态钳位。两者的关键额定都是结能承受的功率,而不是击穿电压本身。

开关行为

正向导通的 PN 结内储存着少子电荷,要关断必须先抽走这些电荷,因此二极管会在短时间内继续反向导通——这就是反向恢复。50 Hz 时它只占 10 ms 里的几微秒,可以忽略;500 kHz 时它占 2 µs 周期里的几微秒,损耗与 EMI 都由它主导。这也是几十千赫以上的开关电源都改用肖特基或同步整流的原因。

算例

12 V 电源经一只硅二极管串联 470 Ω 电阻驱动红色 LED。硅管在此电流下压降约 0.68 V,LED 约 1.9 V,电阻上剩 9.42 V,电流 20 mA。把电源升到 24 V,电流几乎翻倍到 40 mA,因为两个二极管的压降几乎不动——指数特性使它们在该范围内仅变化约 40 mV。压降近乎恒定正是二极管能当基准的原因,也正是它不适合限流的原因。

架外延伸

Sources · 参考出处

  • University of Mississippi http://www.phy.olemiss.edu/~cremaldi/PHYS417/DiodeBasics.pdf
  • Northern Illinois University https://nicadd.niu.edu/~fortner/course/phys375/lect/p375_05a.pdf
  • Physics LibreTexts https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/University_Physics_(OpenStax)/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)