收藏這篇就夠了！二極管全家族圖解：整流、LED、微波、真空管…
發(fā)布日期:2026-01-22
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在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，我們對(duì)“二極管”(diode)這個(gè)名詞早就習(xí)以為常，把它視為一個(gè)具備兩個(gè)端子的組件，用來(lái)在各種電路中達(dá)成不同的功能。然而，若仔細(xì)思考，就會(huì)發(fā)現(xiàn)二極管這個(gè)類別之廣、種類之多，實(shí)際上遠(yuǎn)超出多數(shù)人直覺(jué)的想象。
下面將以簡(jiǎn)要(但極度簡(jiǎn)化)的方式，概覽不同類型的二極管及其應(yīng)用。不同類型的二極管符號(hào)示意圖，顯示其在電路設(shè)計(jì)中扮演的多樣功能，從基本整流到高頻檢波與光電轉(zhuǎn)換。文中所附的電路符號(hào)只是常見(jiàn)示例，實(shí)際上不同文獻(xiàn)中還存在其他符號(hào)變化，本文僅以這些圖示作為代表。
整流二極管(功率/信號(hào)應(yīng)用)
整流二極管(Rectifier Diode)是一種最基本的二極管，可讓電流只在單一方向通過(guò)，并阻斷反向電流。常見(jiàn)的小功率型號(hào)有1N4148，而在高功率應(yīng)用中，可能會(huì)使用像1N4045這類額定275A、100V的整流二極管，常見(jiàn)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的橋式整流器，甚至更大規(guī)格者亦有。
有趣的是，早期的整流組件甚至可能只是一小段鉛筆芯接觸生銹的剃須刀片，或是一根剛性的導(dǎo)線(被稱為貓須)與方鉛礦(galena)接觸形成的點(diǎn)接觸整流器，或者是像1N34A這樣的低功率點(diǎn)接觸式鍺二極管。
肖特基二極管(熱載流子二極管)
肖特基二極管(Schottky Diode)是以金屬與半導(dǎo)體材料形成結(jié)而制成的。由于采用金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(可使用多種金屬)，其優(yōu)勢(shì)在于正向壓降比一般半導(dǎo)體結(jié)低，且?guī)缀鯖](méi)有儲(chǔ)存電荷，因此可實(shí)現(xiàn)極快速的關(guān)斷時(shí)間(turn-off time)。這使其特別適合高頻或高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用。
階躍恢復(fù)二極管
階躍恢復(fù)二極管(Step Recovery Diode)是一種半導(dǎo)體結(jié)二極管，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存有一定量的電荷，使其在反向?qū)ㄆ陂g能維持極短的導(dǎo)電時(shí)間。若在適當(dāng)時(shí)間點(diǎn)控制，使反向?qū)щ娗『迷谳斎隦F正弦波的270°處因儲(chǔ)存電荷耗盡而瞬間停止導(dǎo)通，即可產(chǎn)生極為陡峭的電流終止波形。這種極強(qiáng)的電流驟停特性，使得該器件成為倍頻器應(yīng)用中非常理想的諧波發(fā)生器。
PIN二極管(P型–本征–N型結(jié)構(gòu))
PIN二極管由P型半導(dǎo)體、本征層(未摻雜區(qū)域)及N型半導(dǎo)體三層構(gòu)成。其內(nèi)部?jī)?chǔ)存了適量的電荷，允許反向?qū)ㄒ欢螘r(shí)間。在足夠高的頻率(通常為1GHz以上)下，PIN二極管的動(dòng)態(tài)阻抗可通過(guò)調(diào)整直流偏置電流來(lái)改變。這種可變阻抗特性可用于制造可編程信號(hào)衰減器。
光電二極管
光電二極管(Photo Diode)在受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流或電壓輸出。根據(jù)結(jié)構(gòu)與材料不同，有些型號(hào)甚至可檢測(cè)紫外線(UV)或X射線。這類組件廣泛應(yīng)用于光傳感、光通信與輻射測(cè)量等領(lǐng)域。
發(fā)光二極管
發(fā)光二極管(LED)在受到電流刺激時(shí)會(huì)發(fā)光。不同材料可對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的發(fā)光效果，包含紅、黃、琥珀、綠、藍(lán)或白光，也有紅外線或紫外線LED。
舉例而言，牙醫(yī)常使用手持式紫外線LED光源來(lái)加速補(bǔ)牙的樹(shù)脂材料的固化過(guò)程。筆者曾向牙醫(yī)詢問(wèn)此技術(shù)，他表示早期是以紫外線燈照射固化，現(xiàn)今已改用高效率LED光源。
激光二極管
激光二極管(Laser Diode)采用PIN結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)部的本征區(qū)作為受激發(fā)射區(qū)域，當(dāng)在光學(xué)諧振腔內(nèi)達(dá)到閾值電流時(shí)，該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生受激輻射，形成激光輸出。這類組件常見(jiàn)于激光筆、CD/DVD播放器、光纖通信模塊等設(shè)備中。
齊納二極管
齊納二極管(Zener Diode)是一種在反向偏壓下設(shè)計(jì)為低擊穿閾值的特殊二極管。在反向偏壓未達(dá)臨界值前，通過(guò)的電流非常微弱；一旦電壓達(dá)到擊穿閾值，則會(huì)迅速導(dǎo)通產(chǎn)生顯著電流。這種穩(wěn)定的擊穿閾值特性常被用于電壓穩(wěn)定與電源保護(hù)等應(yīng)用。
瞬態(tài)吸收二極管
瞬態(tài)吸收二極管(TVS diode)在特性上與齊納二極管相似，但能承受短時(shí)間的高功率擊穿能量。其主要用途是保護(hù)電子電路免受瞬變電壓或靜電放電(ESD)的損害，廣泛用于電源、通信接口及汽車電子保護(hù)電路中。
反向二極管
反向二極管(Back Diode)的反向擊穿電壓極低，甚至比一般二極管的正向壓降還低，有時(shí)甚至比自身的正向壓降還小。這項(xiàng)特性使其非常適合用于微小信號(hào)或低功率RF檢波器中，用以檢測(cè)低幅值RF信號(hào)。
變?nèi)荻O管
變?nèi)荻O管(Varactor Diode)是一種主要在反向偏壓條件下工作的二極管。其特性是電容值會(huì)隨反向偏壓電壓變化而反比改變——也就是說(shuō)，當(dāng)反向電壓增加時(shí)，電容會(huì)減小。
這類組件常被應(yīng)用于RF調(diào)諧電路中，尤其是在壓控振蕩器(VCO)的頻率調(diào)整上，是最常見(jiàn)的用途之一。通過(guò)控制施加的直流偏壓，即可精密地改變諧振頻率，實(shí)現(xiàn)電子調(diào)諧功能。
隧道二極管
隧道二極管(Tunnel Diode，又稱江崎二極管Esaki Diode)是一種電壓與電流特性曲線呈不連續(xù)性的組件，具備“壓控負(fù)阻”特性。此現(xiàn)象源自于量子隧穿效應(yīng)(tunneling effect)，使其在特定區(qū)域內(nèi)，電壓上升反而導(dǎo)致電流下降。
隧道二極管于1957年由江崎玲于奈發(fā)明，當(dāng)時(shí)被視為開(kāi)啟半導(dǎo)體技術(shù)新紀(jì)元的重要里程碑。Heathkit公司甚至曾推出一款以隧道二極管為核心的DIP振蕩器，以取代早期的柵極DIP振蕩器。
雖然如今隧道二極管已不再普遍使用，但仍在特定高速或微波應(yīng)用中可見(jiàn)其蹤跡。
耿氏二極管
耿氏二極管(Gunn diode)是一種單一材料半導(dǎo)體組件，沒(méi)有PN結(jié)，卻仍能展現(xiàn)負(fù)阻抗特性。這種特性可用于制作微波振蕩器(microwave oscillator)。
由于它并沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的PN結(jié)，有些人反對(duì)用“二極管”一詞來(lái)描述這些器件。然而，耿氏二極管這個(gè)名稱已成為業(yè)界慣用的術(shù)語(yǔ)，因此即使名稱上略顯不精確，也被廣泛接受。
限流二極管
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，限流二極管(Current Limiting Diode)不一定是真正的二極管，但與耿氏二極管一樣，業(yè)界常以此名稱稱呼它。實(shí)際上，它是一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效晶體管(JFET)，其中柵極(gate)與源極(source)相連。
在這種結(jié)構(gòu)下，JFET的電壓-電流特性曲線相當(dāng)于在Vgs=0的情況下工作。當(dāng)外加電壓高到足以使JFET脫離飽和區(qū)(saturation region)時(shí)，組件會(huì)表現(xiàn)出恒定電流源的特性。
因此，限流二極管被廣泛用于電流保護(hù)或定電流驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。
真空二極管
沒(méi)錯(cuò)，我們終于來(lái)到真空管時(shí)代了。真空二極管(Vacuum Diode)是一種熱電子組件(thermionic device)，其行為與固態(tài)二極管相似——都只允許電流在單一方向通過(guò)。
典型的例子包括5Y3GT與35Z5GT等。如果這些型號(hào)對(duì)你來(lái)說(shuō)陌生，不妨查閱一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們?cè)谠缙谑找魴C(jī)與電源整流器中極為常見(jiàn)。
汞蒸氣二極管
汞蒸氣二極管(Mercury Vapor Diode)與真空二極管密切相關(guān)，但其內(nèi)部包含加熱后的汞蒸氣。在使用前，必須先讓燈絲加熱，使汞蒸發(fā)形成導(dǎo)電氣體。一般需要約60秒的預(yù)熱時(shí)間(依筆者印象)。
此外，該組件必須垂直安裝使用，底部為基極引腳，頂部為陽(yáng)極帽(plate cap)。當(dāng)管內(nèi)汞離子化時(shí)，會(huì)發(fā)出藍(lán)色光芒。
典型的例子是866A整流管——若此型號(hào)你不熟悉，建議也可以搜尋看看。
氙氣二極管
氙氣二極管(Xenon Gas Diode)是一種同樣依賴氣體導(dǎo)電的二極管，不同的是其內(nèi)部氣體為氙氣。由于氙氣在室溫下即為氣態(tài)，因此不需預(yù)熱即可使用。
當(dāng)此二極管工作時(shí)，離子化的氙氣會(huì)發(fā)出略帶黃白色的光。典型的型號(hào)為3B28。如果你對(duì)這個(gè)零件編號(hào)不熟悉，也可以查閱，它在老式電源設(shè)備與通信系統(tǒng)中仍有歷史地位。
磁控管
磁控管(Magnetron)實(shí)際上是一種進(jìn)化版的真空二極管，專門用于產(chǎn)生微波信號(hào)。它是現(xiàn)代微波爐與雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件之一。
冷陰極氣體穩(wěn)壓管
嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)，冷陰極氣體穩(wěn)壓管(Cold Cathode Gas Voltage Regulator)這類組件通常不被稱為二極管，但依作者觀點(diǎn)，它仍符合單向?qū)ǖ奶匦浴?/span>
該組件內(nèi)部充滿可離子化的氣體，一旦氣體被擊穿(ionized)，陽(yáng)極與冷陰極之間的電壓會(huì)趨于穩(wěn)定，功能上與齊納二極管(Zener Diode)類似。
然而，它有一項(xiàng)值得注意的特性：氣體被擊穿的“起弧電壓”(striking voltage)通常高于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通電壓，這會(huì)導(dǎo)致負(fù)阻抗特性。若在此組件并聯(lián)電容，則可能產(chǎn)生弛豫振蕩(relaxation oscillation)。
當(dāng)管內(nèi)氣體導(dǎo)通時(shí)，會(huì)發(fā)出紫色光芒。典型型號(hào)為0A2 (注意首字為數(shù)字0，而非字母O)。若你沒(méi)見(jiàn)過(guò)這組件，不妨搜尋其外觀，會(huì)發(fā)現(xiàn)它在早期儀器電源中極具代表性。
我恰好手邊就有一個(gè)這樣的組件(如下圖所示)：
Mogen二極管
最后這一個(gè)Mogen二極管其實(shí)是虛構(gòu)的組件，由已故的電子設(shè)計(jì)名人Bob Pease所創(chuàng)造。
無(wú)需進(jìn)一步討論——它只是工程師之間的一個(gè)經(jīng)典玩笑。
結(jié)語(yǔ)
從固態(tài)半導(dǎo)體、真空管到氣體放電設(shè)備，二極管這個(gè)名詞的范疇遠(yuǎn)比想象中寬廣。每一種變體都反映了人類在電子組件發(fā)展史上對(duì)單向?qū)ㄟ@一核心特性的不同探索方式。
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