一文读懂二极管及其选型

以下文章来源于TsinghuaJoking ，作者卓晴

TsinghuaJoking.

这是一个公众号，它不端、不装，与你同游在课下、课上。 卓晴博士，清华大学中央主楼 626A。010-62773349, 13501115467，zhuoqing@tsinghua.edu.cn

简介：这篇文章翻译自Steven Dufresne的一篇博文HISTORY OF THE DIODE，讲解了二极管的简要发展历史。这让我们也认识到，很多的发明都存在着偶然性，往往需要等到很多年之后才能够找到用武之地。

二极管的历史充满着各种偶然发现造就的乐趣，也有的发现直到几十年之后被派上用场。让我们先谈谈两个话题：热电子发射以及半导体二极管。

01 真空管、热电子二极管

人类的一次偶然关于热电子发射现象的发现，导致了若干年后的真空电子管的出现。所谓的热电子发射，简单讲就是一个加热的金属，或者热源外部包裹的金属，表面会发射电子。

在1873年，弗雷德里克(Frederick)将他的验电器(electroscope)带上正电荷，然后将一个加热到白炽状态金属靠近验电器的终端。从热金属表面发射的电子转移到验电器上，中和上面的正电荷，使得验电器中的金属片闭合。但充有负电荷的验电器不会因此而丧失其中的负电荷。这是因为炽热金属只能发送电子，也就是负电荷。因此从炽热金属上只能单方向移动电子，这导致早期二极管的发明。

图1 验电器

托马斯·爱迪生(Thomas Edison)在1880年也独立发现了热电子发射效应，当时他正在解决灯泡内碳素灯丝为何总是在正电极处容易被烧断的问题。他制作了一个特殊的抽真空的灯泡，在灯丝连接正电极处增加一个金属片并距离灯丝很近，他发现一股看不见的电流从灯丝流向金属片。因此热电子发射也被称为爱迪生效应。

图2 热发射电子二极管

但是直到1904年这种热电子效应才被应用到实际当中。约翰·安布罗斯·弗拉明(John Ambrose Fleming)在1881年到1891年的十年中作为爱迪生照明公司顾问，后来为马可尼(Marconi)无线电报公司工作。

在1901年无线电报公司第一次向公众展示了跨大西洋无线通讯技术，传送的字母是“S”，对应的摩斯电报码是三个点。但将传送信号层是背景噪声中分离出来相当困难，所以当时那次展示受到了争议。这使得弗拉明认识的需要寻找一种比粉末检波器(Coherer)更加灵敏的信号检测器件。到了1904年，他尝试使用爱迪生效应真空管，结果效果非常好，将接收到的高频信号进行了整流，在电流计中显示出来。他为此申请了弗拉明真空管专利技术，这标志着由两个部件组成，依靠热电子发射工作的二极管正式诞生了，也开启了随后几十年间不同种类真空管技术的发展。

到了20世纪40年代，在电力行业中应用的真空管逐渐被硒二极管替代，到了六十年代，半导体二极管成为主角。如今，真空二极管仍然在高功率场合被应用。如今，随着复古高级音响爱好者的推波助澜，以及录音室中应用兴起，真空管又迎来了它的高光时刻。

02 固态二极管、半导体二极管

几乎同时，弗里德里克·格思里(Frederick Guthrie)也使用他的验电器发现了热电子发射现象。在1874年，卡尔·弗迪南·布劳恩(Karl Frederick Braun)也在研究盐溶液中金属离子的导电性。他认识到一些盐化合物，比如硫化铅，在没有溶解时也导电。随后他发现硫化铅的导电性能随着电压的幅度和极性会发生变化，特别是当电极呈现尖端触碰在硫化铅表面这种非线性更强。硫化铅是一种半导体，所以布劳恩发现的就是一种半导体二极管。

图3 猫须检波器

这就是后来被称为猫须检测器，在1894年被用于微博实验。1906年，G·W·皮卡德(Picard)申请了硅检测器专利，同时亨利·哈里森·蔡斯·登伍迪(Henry Harrison Chase Dunwoody)申请了碳化硅检测器专利。由此在晶体管收音机中猫须检波器被广泛应用，当时收音机有几百万台。

但是到了1920年，真空二极管取代了猫须检波器。然后到了第二次世界大战点接触半导体二极管，包括硅二极管和锗二极管在微波雷达信号检测中重新获得新生，这是由于真空二极管无法工作在这么高的频率范围内。

图3 锗二极管

二战后，内部无需进行电接触调整的锗二极管被大量生产，检波性能被证明与硫化铅一样灵敏。由于不像猫须检波那样必须进行调整，这也就开启了用于晶体管收音机的半导体二极管应用时代。

03 水银电弧整流器

水银电弧整流器具有吓人声响，诡异的外观。它是在1902年被皮特·库珀·翰威特(Peter Cooper Hewitt)发现，又在随后的20年代，三十年代被更新。直到1970年，它还是被应用在交流高电压、大电流的整流场合。它具有一个存储水银的容器，水银被用作阴极。在容器内还有一个由碳棒构成的阳极。水银可以自由的发送电子，但阳极的碳棒只能发送寥寥无几的电子。电弧激励着水银池，将水银电离形成阳极与阴极之间的水银蒸汽，建立了导电通道。它被用在电池充电、电弧照明，电车驱动，地铁以及电镀行业。

图4 汞弧整流器

汞弧整流器在1970年之后就被晶闸管取代。由于晶闸管除了阴极和阳极之外还有一个控制电极，所以它的原理就不在此处进行阐述了。

04 氧化铜与硒二极管

硒二极管是另外一种很早就被发现，但持续很长时间之后才被应用的二极管。第一个硒二极管是在1886年由C·E·菲兹最先组装，但直到1930年才得到应用。最终在无线广播、大电流充电、电池以及激光复印领域被广泛应用。它由带有硒涂层的钢片与硒-镉片交替堆叠，中间形成了镉-硒层 。这种硒与镉硒形成了半导体-半导体结。为了能够扛得住高压，可以将许多层堆积起来，几乎无限制。到了1960年之后，硅整流器开始取代硒整流器。硅整流器具有更小的前向导通电压降。

在1961年，IBM公司还试图使用硒二极管搭建计算机中的逻辑电路，这是因为硒材料比较便宜，但后来他们验证硒二极管不太稳定，最终被硅二极管取代。

图5 硒二极管与氧化铜二极管

氧化铜二极管几乎是与硒二极管同时被发明的，用途也相近。其中在铜片上的氧化铜与铜基地构成了半导体层。类似于硒二极管，氧化铜层也可以被堆积从而可以忍受住高的反向电压。氧化铜也最终摆脱不了被硅二极管取代的命运。

05 肖特基二极管

很难说的情况肖特基二极管是谁最先发明的，因为猫须二极管本质上也是肖特基二极管。肖特基二极管是在中度掺杂的半导体材料上与金属融合而形成的。猫须二极管与此类似。肖特基二极管的命名来自于德国物理学家沃尔特·H·肖特基(Walter.H.Schotty)，他研究了金属-半导体结的物理现象。

06 DNA纳米二极管

下面让我们讨论一段近期有趣的二极管来结束关于二极管的前世今生的讨论。在201年4月公布在自然化学期刊上的一篇文章，来自乔治亚与本·古里安大学的研究人员报道了他们通过DNA制作的二极管。将两段甲氧檗因分子链插在11一个碱基对构成的DNA双螺旋分子上的定地点。在两个电极上施加1.1V电压，可以发现一个方向流过的电流是另外一个方向的15倍。这对制作分子层面的电子器件具有重要的影响，正如我们前面看到，一个新的发现往往要经历一段时间之后才能找到实际用途。我们也知道，这个延迟值得期待。

图6 DAN纳米二极管

二极管在我们电路板中是最常见的元器件之一，那么，在选型的时候，有考虑因素呢？

1、正向导通压降

压降：二极管的电流流过负载以后相对于同一参考点的电势（电位）变化称为电压降，简称压降。

导通压降：二极管开始导通时对应的电压。

正向特性：在二极管外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零。当正向电压大到足以克服PN结电场时，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。

反向特性：外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。反向电压增大到一定程度后，二极管反向击穿。

图7 正向导通压降与导通电流的关系

在二极管两端加正向偏置电压时，其内部电场区域变窄，可以有较大的正向扩散电流通过PN结。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能真正导通。但二极管的导通压降是恒定不变的吗?它与正向扩散电流又存在什么样的关系?通过下图1的测试电路在常温下对型号为SM360A的二极管进行导通电流与导通压降的关系测试，可得到如图2所示的曲线关系：正向导通压降与导通电流成正比，其浮动压差为0.2V。从轻载导通电流到额定导通电流的压差虽仅为0.2V，但对于功率二极管来说它不仅影响效率也影响二极管的温升，所以在价格条件允许下，尽量选择导通压降小、额定工作电流较实际电流高一倍的二极管。

　图8 二极管导通压降测试电路

图9 导通压降与导通电流关系

在我们开发产品的过程中，高低温环境对电子元器件的影响才是产品稳定工作的最大障碍。环境温度对绝大部分电子元器件的影响无疑是巨大的，二极管当然也不例外，在高低温环境下通过对SM360A的实测数据表1与图3的关系曲线可知道：二极管的导通压降与环境温度成反比。在环境温度为-45℃时虽导通压降最大，却不影响二极管的稳定性，但在环境温度为75℃时，外壳温度却已超过了数据手册给出的125℃，则该二极管在75℃时就必须降额使用。这也是为什么开关电源在某一个高温点需要降额使用的因素之一。

表1 导通压降与导通电流测试数据

图10 导通压降与环境温度关系曲线

2、额定电流、最大正向电流IF

额定电流IF指二极管长期运行时，根据运行温升折算出来的平均电流值。目前最大功率整流二极管的IF值可达1000A。

额定电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过的最大正向平均电流值，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度(硅管为141左右，锗管为90左右)时，就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

3、最大平均整流电流Io

最大平均整流电流IO：在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。折算设计时非常重要的值。

4、最大浪涌电流IFSM

运行流过的过量的正向电流。不是正常的电流，而是瞬间电流，这个值相当大。

5、最大反向峰值电压VRM

即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前最高的VRM值可达几千伏。

6、最大反向电压VR

上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压的值。用于直流电流，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。

7、最高工作频率fM

由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千Hz。

8、反向恢复时间Trr

当正向工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。

9、最大功率P

二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。最大功率P为功率的最大值。具体讲就是加载二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。

10、反向饱和漏电流IR

指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。在常温下，硅管的IR为nA（10-9A）级，鍺管的IR为mA（10-6A）级。

11、降额（结温降额）

降额可以提高产品可靠性，延长使用寿命，根据温度降低10℃寿命增加一倍的理论，下面列出了不同额定结温的管子最小降额结温数据。

额定值TjM

125℃

150℃

175℃

200℃

降额后可使用的TjM

110℃

135℃

160℃

185℃

表2 二极管降额

12、安规

在选型阶段应该考虑到器件是否通过了安规认证，主要应该考虑功率器件。一般为各国广泛接受的安规认证类型有UL(北美)、CSA(加拿大)、TUV(德国)、VDE等。

13、可靠性设计

正确选用器件及器件周边的线路设计、机械设计和热设计等来控制器件在整机中的工作条件，防止各种不适当的应力或者操作给器件带来损伤，从而最大限度地发挥器件的固有可靠性。

14、容差设计

设计单板时，应放宽器件的参数允许变化的范围（包括制造容差、温度漂移、时间漂移），以保证器件的参数在一定范围内变化时，单板能正常工作。

15、禁止选用封装

禁止选用轴向插装的二极管封装、禁止选用Open-junction二极管。

O/J是OPEN JUNCTION的晶圆扩散工艺，在晶圆扩散后切片成晶粒，晶粒的边缘是粗糙的，电性能不稳定，需要用混合酸(主要成分为氢氟酸)洗掉边缘，然后包以硅胶并封装成型，可信赖性较差。

GPP是Glassivation passivation parts的缩写，是玻璃钝化类器件的统称，该产品就是在现有产品普通硅整流扩散片的基础上对拟分割的管芯P/N结面四周烧制一层玻璃，玻璃与单晶硅有很好的结合特性，使P/N结获得最佳的保护，免受外界环境的侵扰，提高器件的稳定性，可信赖性极佳。

O/J的散热性没有GPP的好，两者本质结构截然不同:O/J芯片需要经过酸洗后加铜片焊接配合硅胶封装，内部结构上显得比GPP的大；GPP芯片造的整流桥免去了酸洗、上硅胶等步骤，直接与整流桥的铜连接片焊接。内部结构显得比O/J芯片制造而成的小。才造成直观的、习惯性的误解。

GPP芯片和OJ芯片的综合评价：

1、GPP芯片在wafer阶段即完成玻璃钝化，并可实施VR的probe testing，而OJ芯片只有在制得成品后测试VR。

2、VRM为1000V的GPP芯片，通常从P+面开槽和进行玻璃钝化，台面呈负斜角结构(表面电场强度高于体内)，而OJ芯片的切割不存在斜角。

3、GPP芯片的玻璃钝化分布在pn结部分区域(不像GPRC芯片对整个断面实施玻璃钝化，而OJ芯片对整个断面施加硅橡胶保护。

4、GPP芯片由于机械切割的原因留下切割损伤层，而OJ芯片的切割损伤层可经化学腐蚀去除掉。

5、GPP芯片采用特殊高温熔融无机玻璃膜钝化，Tjm及HTIR稳定性高于用有机硅橡胶保护的OJ制品。

6、GPP芯片适合小型化、薄型化、LLP封装，而OJ芯片适合引出线封装。

在制作工艺上的区别：

（1）OJ的芯片必须经过焊接、酸洗、钝化、上白胶、成型固化烘烤等步骤,其电性（反向电压）与封装酸洗工艺密切相关，常规封装形式为插件式。

（2）而GPP在芯片片制造工艺中已包含酸洗、钝化。其电性由芯片片直接决定，常见封状形式为贴片式。

参考资料：

1、《HISTORY OF THE DIODE》，https://hackaday.com/2016/08/15/history-of-the-diode；

2、《二极管的前世今生》，微信公众号：TsinghuaJoking，作者：卓晴；

3、《二极管选型关键要素》，微信公众号：硬件十万个为什么。

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