二极管又叫晶体二极管,是诞生最早的半导体器件之一,二极管的用途非常广泛,几乎所有的电子电路中都能用到它。
在手机中,二极管有多种外形,按照制造材料划分可分为塑封二极管、玻封二极管、金属封装二极管。由于玻封二极管、金属封装二极管体积大,在智能手机及便携设备中很少使用,在智能手机中使用最多的是塑封二极管。
二极管有极性,分为正极和负极。在二极管的一端有明显的特征,有的是竖线,有的是圆环,还有的是色点。一般来说,有标识的一端就是二极管的负极,如图2-31所示。
图2-31 二极管的极性
在手机中,贴片二极管分为有引脚封装和无引脚封装两种。有引脚封装的贴片二极管有三种结构,第一种是引脚向外延伸,第二种是引脚向下凹在底部,第三种是轴向型引脚,如图2-32所示。
图2-32 二极管的引脚外形
内凹形引脚的贴片二极管一定要与贴片钽电容的外形区分开,它们的外形和颜色非常接近。无引脚封装的贴片二极管两端无引脚,外形类似贴片电阻,一端有明显的色点。
二极管的电路符号如图2-33所示,二极管的两个电极分别是正极和负极,有些资料中也叫作阳极和阴极。二极管符号中间的三角箭头表示只能单向导通,中间的竖线表示二极管反向是截止。
图2-33 二极管的电路符号
二极管的电路符号比较容易理解,二极管的电路符号如果铺在马路上,就是直行的交通标志,如图2-34所示。
图2-34 直行交通标志
这个直行标志表示只能往箭头指示的方向行驶,不能反方向行驶,就和二极管的特性一样,正向导通,反向截止。
二极管按照功能划分又分为普通二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等,常见二极管的符号如图2-35所示。
图2-35 常见二极管的符号
在讲二极管的工作原理之前,先了解一个交通规则,就是单行线规则,城市的道路中有好多单行线,单行线就是只能向一个方向行驶。二极管也和单行线一样,只能正向导通。
二极管是把一个N型半导体和一个P型半导体接合而成的,在其界面两侧形成一个结合区,这个结合区叫PN结,如图2-36所示。
图2-36 二极管的结构
P型半导体的空穴被电池负极吸引而移动,聚集在电池负极的附近;N型半导体的电子被电池正极吸引而移动,聚集在电池正极的附近。结果,中间导电的电子和空穴越来越少,最后没有了,这时电流也无法流动。
P型半导体的空穴被电池正极排斥,往P型与N型半导体的结合面移动,因为N型半导体是和电池负极相连的,所以空穴穿过结合面继续往电池的负极移动;同样的道理,N型半导体的电子往电池的正极移动,这样就形成了电流,如图2-37所示。
图2-37 二极管的工作原理
①正向特性
在电子电路中,将二极管正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置,如图2-38所示。
图2-38 PN结正向偏置
必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”,又称“死区电压”,锗管约为0.1V,硅管约为0.5V)以后,二极管才能真正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V,硅管约为0.7V),该电压称为二极管的“正向压降”。
②反向特性
在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置,如图2-39所示。
图2-39 PN结反向偏置
二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值时,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态称为二极管的击穿。
小功率二极管的N极(负极),在二极管外表上大多采用一种色圈标示,有些二极管也用二极管专用符号来表示P极(正极)或N极(负极),也有采用符号标志P、N来确定二极管极性的。
用数字万用表测二极管时,首先将万用表档位调到二极管档,红表笔和黑表笔分别接二极管的两个电极,然后再调换表笔测量,这时候万用表就会显示一个很大的数值和较小的数值,其中数值大的那一次,红表笔接的是二极管的正极。
整流二极管利用PN结的单向导电特性,把交流电变成脉动直流电。整流二极管漏电流较大,多数采用面接触型塑料封装的二极管。
整流二极管主要应用在手机的充电电路中。在智能手机中使用的整流二极管主要是肖特基二极管,肖特基二极管是以贵金属(金、银、铝、铂等)为正极,以N型半导体为负极,利用二者在接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。
稳压二极管是一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管,简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时,在一定的电流范围内(或者说在一定功率损耗范围内),两端电压几乎不变,表现出稳压特性。在智能手机中,稳压二极管主要应用在稳压及保护电路中。
变容二极管又称“可变电抗二极管”,是一种利用PN结电容(势垒电容,势垒区电荷的变化有点类似于电容的充放电,所以叫势垒电容)与其反向偏置电压的依赖关系及原理制成的二极管,所用材料多为硅或砷化镓单晶。
变容二极管工作在反向偏置状态,反偏电压愈大,则结电容愈小。由于其结电容随反向电压变化,因此可取代可变电容,用作调谐回路、振荡电路、锁相环路,如电视机高频头的频道转换和调谐电路、手机的VCO电路等。
发光二极管(Light Emitting Diode,LED)是半导体二极管中的一种,是一种将电能转换为光能的半导体器件,第一个商用二极管产生于1960年。
发光二极管是由镓(Ga)与砷(AS)和磷(P)的化合物制成的二极管,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,所以可以用来制成发光二极管。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。电子和空穴复合时释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。
发光二极管在智能手机及仪器中用作指示灯、组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光。红色发光二极管、绿色发光二极管导通电压在2V左右,白色发光二极管或蓝色发光二极管导通电压在3.3V左右。
常见的发光二极管如图2-40所示。
图2-40 发光二极管
在发光二极管中,负极一般会有明显的标识,一般为支架大的一端为负极,因为负极托着发光二极管的芯片。在闪光灯二极管中,有缺角的是负极。