一、引言：為什么還要專門討論“小信號二極管”？

在很多入門教材里，二極管似乎只有一種：整流二極管。它接在變壓器次級后面，負責把交流變成直流，導通電流往往是安培級，封裝體積大、引腳粗、殼體厚。

但在實際電子設計中，更多遇到的是另一類器件：

體積極小、電流有限、可以工作在高頻、小信號或高速開關環境中的 小信號二極管（Signal Diode 或 Switching Diode）。

它們廣泛用于：

• 數字邏輯電路的開關與“或門”實現

• 短脈沖或高頻信號的整形、限幅、箝位

• 高頻電路中的檢波、混頻

• 邏輯和總線的靜電防護（ESD）

• 小電流簡單穩壓、分壓電路

其中最典型的代表型號，就是幾乎人人都見過的 1N4148（以及等效的 1N914）。

二、小信號二極管的器件結構與封裝特征

2.1 結構與形式

小信號二極管本質仍然是一個 PN 結，只是設計目標與功率整流二極管不同，更偏向于：

• 小電流

• 低結電容

• 高反向電阻

• 高開關速度

常見結構形式有：

1. 點接觸二極管（Point Contact Diode）
   早期高頻用，采用金屬尖端接觸半導體表面形成局部結區，寄生電容極小，適合高頻檢波與微波應用。

2. 玻璃鈍化二極管（Glass Passivated Diode）
   現代最常見形式，PN 結被封裝在玻璃管中，起到：

• 防潮、防污染

• 機械保護

• 穩定結區表面狀態（降低漏電）

典型封裝特點：

• 整管非常小、類似玻璃小珠

• 一端有顏色環（紅/黑/橙等），標識 陰極（K）端

• 通過絲印或編帶標注型號，如 1N4148

與之對比：整流二極管往往是黑色塑封、DO-41 或更大封裝，體積顯著大。

2.2 典型參數量級

以 1N4148 為例：

• 最大正向電流 IF(max) ≈ 150 mA

• 最大耗散功率 P(max) ≈ 500 mW（25℃ 條件下）

• 正向壓降 VF ≈ 0.6～0.7 V（在幾十毫安量級）

• 反向恢復時間 trr 典型幾十納秒級，非常適合高速開關

結論：不是用來整流電源的，而是用來處理“小而快”的電信號的。

三、鍺與硅信號二極管的差異

從材料角度，小信號二極管可分為：

1. 鍺（Ge）信號二極管

2. 硅（Si）信號二極管

它們在幾個關鍵特性上差異明顯。

3.1 鍺小信號二極管

典型特征：

• 正向壓降低，約 0.2～0.3 V

• 反向電阻較低，漏電流相對大

• 由于器件工藝和材料原因，結區較小，正向電阻偏大

工程上的特點：

• 適合在極低電壓信號下做檢波（因為壓降小）

• 但在高溫和反向高壓下，穩定性和漏電控制不如硅

3.2 硅小信號二極管

典型特征：

• 正向壓降約 0.6～0.7 V

• 反向電阻非常高，漏電小

• 結區可設計得較大，正向電阻小，允許較高峰值正向電流和一定反向電壓

因此，現代數字電路、射頻應用、脈沖開關電路幾乎清一色采用 硅小信號二極管，如 1N4148。

四、電路符號與單向導電特性

4.1 器件符號

二極管通用符號：

• 一個箭頭形三角形 → 指向一條豎線

• 三角形一側為 陽極（A）

• 豎線一側為 陰極（K）

記憶方法：

• 箭頭方向 = 傳統電流方向

• 即只有 A 端接正，K 端接負 時導通（正向偏置）

4.2 正向與反向偏置行為（小信號二極管同樣適用）

1. 正向偏置（Forward Bias）

• A 端接正電壓，K 端接負電壓

• PN 結勢壘減小，耗盡層變窄

• 電流開始流動，VF 約 0.6～0.7 V（硅）

2. 反向偏置（Reverse Bias）

• A 端接負電壓，K 端接正電壓

• 勢壘增大，耗盡層變寬

• 只剩下微小反向漏電流，等效為斷路

理想化描述：

理想小信號二極管：只在一個方向導通，另一個方向完全截止。

實際工程中要考慮它的參數極限，這就引出了幾個關鍵參數。

五、小信號二極管的關鍵參數解析（工程視角）

在選型或者替換小信號二極管時，至少要關注以下三大類參數：

1. 最大正向電流 IF(max)

2. 最大反向電壓 VR(max) / PIV

3. 最大功耗 PD(max) 與結溫 TJ(max)

下面逐項展開。

5.1 最大正向電流 IF(max)

定義：
在規定環境溫度下，二極管允許長期承受的最大正向導通電流。如果超過該電流，結區發熱超過極限，可能導致熱失控、燒毀。

工程理解：

• 小信號二極管內部 PN 結面積小、熱容小

• 正向導通時存在一定正向電阻（動態電阻）

• 功率耗散 = VF × IF

• 當 P 超過器件允許范圍，結溫迅速升高，最終損壞

例如 1N4148：

• IF(max) 典型約 150 mA

• PD(max) 約 500 mW（25℃）

因此在設計時必須：

• 串聯限流電阻

• 確保 IF 工作點遠低于 IF(max)，特別是在溫度偏高環境下

5.2 反向峰值電壓 PIV / VR(max)

Peak Inverse Voltage（PIV）或 VR(max）：

• 定義：二極管在反向偏置下允許承受的最高電壓，不發生雪崩擊穿和永久損壞。

• 要求：實際使用時的最高反向電壓，應明顯低于 VR(max)。

對小信號二極管而言：

• VR(max) 視型號而定，通常從幾十伏到上百伏

• 在高頻或脈沖應用中，還應考慮瞬態尖峰電壓

特別在整流、電容耦合和箝位電路設計中，不能忽略這一參數。

5.3 總功耗 PD(max)

當二極管導通時，結區會有電壓降 VF 和電流 IF：

功率損耗 PD = VF × IF

注意：二極管是非線性器件，不能簡單用 R=V/I 當固定電阻處理，但是瞬時功耗仍然是電壓與電流的乘積。

PD(max) 表示器件在規定散熱條件下允許承受的最大功率，一般配合“環境溫度”或“殼溫”給出。

5.4 最大結溫與溫度影響

最大結溫 TJ(max)：

• 超過該溫度，PN 結結構可能出現不可逆損壞

• 通常以 “攝氏度每瓦” 的熱阻參數結合 PD 來估算熱升

同時需注意：

• 環境溫度越高，可用的 IF(max) 和 PD(max) 越低

• 數據手冊通常會給：

• 25℃ 時的 IF(max)、PD(max)

• 70℃ 或更高溫度下的降額曲線

工程設計原則：

選二極管時，一定要留出安全裕量，尤其在高溫、小封裝條件下。

六、小信號二極管陣列：在有限空間內保護多路信號

當設計數字板卡或總線接口時，如果需要：

• 多路信號防護

• 多路開關或箝位

• 結構緊湊、成組匹配

就會用到 信號二極管陣列（Diode Array）。

6.1 基本形式

封裝一般為 SIP、SOP 等，內部集成若干只二極管，常見連接形式：

• 每個二極管獨立 → 多個單獨信號通道

• 共陰極（CC）：多個二極管陰極并聯到同一引腳

• 共陽極（CA）：多個二極管陽極并聯到同一引腳

使用典型場景：

• 并行數據線保護

• 多路輸入的鉗位、混合邏輯

• 信號線上上拉/下拉保護

6.2 ESD/瞬態防護應用

常見用法：

• 將二極管陣列的公共端接到電源軌（VCC 或 GND）

• 各個二極管的另一端接到數據線

• 當數據線電壓超出電源軌一定電壓（約 VF）時，二極管導通，將瞬態電流泄放到電源或地

典型用途：

• CPU 或 MCU 的 I/O 引腳防靜電擊穿

• 高速總線或接口防瞬態過壓

七、小信號二極管串聯應用：簡易穩壓與降壓

7.1 串聯產生固定壓降

我們知道：

• 每只硅二極管正向壓降約 0.7 V（視電流而定）

若將 N 只二極管串聯，總壓降大致為：

Vdrop ≈ N × 0.7V（在一定電流范圍內）

例如：

• 3 只串聯 → 總壓降約 2.1V

• 供電 10V，通過串聯二極管與電阻組成分壓 → 負載可看到約 7.9V 左右（10V - 3×0.7V）

注意要點：

• 串聯二極管中電流相同

• 每只二極管的 IF(max) 不能被超過

• 串聯二極管與負載共同構成電壓分配網絡

7.2 作為簡單穩壓電路

如果將串聯的二極管組合并聯在負載兩端，則負載電壓約等于：

Vload ≈ N × VF ≈ N × 0.7V

此時：

• 電阻負責限流

• 多只二極管共同鉗位電壓

• 對電源變化和負載電流變化有一定穩壓效果

雖然性能和專用 Zener 穩壓二極管不可比，但在：

• 電流很小

• 穩壓精度要求不高

• 成本和器件種類希望精簡

的場合，是一種工程上“夠用就好”的方案。

八、小信號二極管作為自由輪二極管：與功率場合的邊界

在驅動繼電器線圈、小電機、磁鐵等感性負載時，通常需要在負載兩端接入一個續流（二極管），也叫：

• 自由輪二極管（Freewheel Diode）

• Flywheel Diode

• 續流二極管

其作用：

當驅動器件（如三極管、MOSFET）關斷時，線圈中的能量不能瞬間消失；如果沒有續流路徑，會在器件兩端產生很高的反向尖峰電壓，可能擊穿或損傷開關器件。
小信號二極管可以在某些小功率場合充當這個角色。

連接方法通常是：

• 二極管與線圈并聯

• 二極管的方向與正常供電電流相反（即平時反向偏置）

當開關閉合：

• 電流流經線圈，二極管反向截止

當開關斷開：

• 線圈電流試圖維持 → 極性反轉

• 二極管正向導通 → 電流通過二極管“回流”，逐漸衰減

• 吸收能量，抑制電壓尖峰

實際工程中：

• 小繼電器、小電磁閥等負載，可以用 1N4148 做續流二極管

• 對于大功率電機或大感量負載，應使用專門的快恢復或功率二極管

九、小信號二極管的典型應用場景小結

綜合前面所有內容，小信號二極管的常見應用包括：

1. 高速開關和邏輯控制

• 與門、或門、線與邏輯

• 數字電路中的“有線或”

2. 波形整形

• 限幅（clipper）

• 箝位（clamper）

• 檢波、半波整流（信號級）

3. ESD 與瞬態保護

• 數據線、I/O 口、總線防護

• 與 TVS 或 RC 網絡配合使用

4. 小電流穩壓與分壓

• 串聯多只二極管實現簡單參考電壓

• 在低功耗電路中取代 Zener

5. 感性負載保護（小功率）

• 繼電器線圈

• 小型電磁鐵

• 小馬達驅動電路

十、選型與替換時應關注的三個關鍵指標

在工程實踐中，替換或選型小信號二極管時，至少要確認以下三點：

1. 反向電壓等級 VR(max)

• 必須高于電路中可能出現的最高反向電壓

2. 正向電流等級 IF(max)

• 高于電路中可能出現的最大正向電流，留足裕量

3. 功耗 PD(max)

• 按 VF×IF 估算溫升，確認不會過熱

• 注意環境溫度、散熱條件與降額

在高速電路中，還要補充關注：

• 反向恢復時間 trr

• 結電容 Cj

結語：小身材，大用處

小信號二極管雖然看起來只是一個玻璃小管，標著一個細細的色環，但它承擔著：

• 控制電流方向

• 限制電壓幅度

• 抑制瞬態干擾

• 保護敏感器件

• 實現高速開關與波形整形

等一系列關鍵職責。

如果說 功率二極管撐起的是電力電子與電源世界，那么小信號二極管支撐的就是 數字邏輯、射頻通信和精密信號處理世界。
理解它，不僅有助于器件選型，也會大大提升對整體電路行為的“直覺感”。