1.4　特殊二極管

除普通二極管外，還有一些二極管由于使用的材料和工藝特殊，從而具有特殊的功能和用途，這種二極管屬于特殊二極管，如穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、發(fā)光二極管、光電二極管等。

1.4.1　穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管（又稱齊納二極管）是一種特殊的面接觸型硅二極管，由于它在電路中能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓二極管，簡稱穩(wěn)壓管，其伏安特性及符號如圖1.15所示。穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，則當反向電流的變化量ΔI較大時，管子兩端相應的電壓變化量ΔU都很小，說明其具有“穩(wěn)壓”特性。

下面分析穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)與穩(wěn)壓二極管應用電路。

1.穩(wěn)壓二極管參數(shù)

（1）穩(wěn)定電壓UZ

UZ是指穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。穩(wěn)定電壓UZ是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。由于穩(wěn)定電壓隨著工作電流的不同而略有變化，所以測試UZ時應使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。不同型號的穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓的值不同。對于同一型號的穩(wěn)壓管，由于制造工藝的分散性，各個不同管子的UZ值也有些差別。例如穩(wěn)壓管2DW7C其UZ=6.1～6.5V，表示型號同為2DW7C的不同的穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓有的可能為6.1V，有的可能為6.5V等，但并不意味著同一個管子的穩(wěn)定電壓會有如此大的變化范圍。

（2）穩(wěn)定電流IZ

IZ（IZmin）是指穩(wěn)壓管的工作電壓等于穩(wěn)定電壓時通過管子所需的最小電流。若低于此值，無穩(wěn)壓效果；若高于此值，只要不超過最大工作電流IZM均可以正常工作，且電流愈大，穩(wěn)壓效果愈好。

（3）動態(tài)內(nèi)阻rz 

rz指穩(wěn)壓管兩端電壓和穩(wěn)壓管中電流的變化量之比，即rz=ΔUZ/ΔIZ，穩(wěn)壓管的反向特性曲線愈陡，則動態(tài)內(nèi)阻愈小，穩(wěn)壓性能愈好。

（4）電壓的溫度系數(shù)αU

αU表示當穩(wěn)壓管的電流保持不變時，環(huán)境溫度每變化一度能引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般來說，穩(wěn)定電壓大于7V的穩(wěn)壓管（屬于雪崩擊穿）的αU為正值，穩(wěn)定電壓小于4V的穩(wěn)壓管（屬于齊納擊穿）的αU為負值，而穩(wěn)定電壓在4～7V之間的穩(wěn)壓管（兩種擊穿都有可能發(fā)生，也可能同時發(fā)生）的溫度穩(wěn)定性較好。

（5）最大工作電流IZM和最大耗散功率PZM

IZM（IZmax）是指管子允許通過的最大電流。PZM等于最大工作電流IZM和它對應的穩(wěn)定電壓UZ的乘積，它是由管子的溫升所決定的參數(shù)。

IZM和PZM是為了保證管子不發(fā)生熱擊穿而規(guī)定的極限參數(shù)。

注意

穩(wěn)壓管應用時需注意幾個問題：第一，應確保穩(wěn)壓管工作在反向偏置狀態(tài)（除利用正向特性穩(wěn)壓外）；第二，穩(wěn)壓管工作時的電流應在IZ和IZM之間，因而電路中必須串接限流電阻；第三，穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，串聯(lián)后的穩(wěn)壓值為各管穩(wěn)壓值之和，但不能并聯(lián)使用，以免因穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值的差異造成各管電流分配不均勻，引起管子過載而損壞。

2.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路如圖1.16所示，其中UI為未經(jīng)穩(wěn)定的直流輸入電壓，R為限流電阻，RL為負載電阻，UO為穩(wěn)壓電路的輸出電壓。

（1）穩(wěn)壓原理

在圖1.16所示的穩(wěn)壓電路中，使UO不穩(wěn)的原因主要有兩個：一是UI的變化；另一個是RL的變化。下面分析電路的穩(wěn)壓原理。

當負載電阻RL不變，而UI增大時將引起輸出電壓UO上升，使穩(wěn)壓管兩端反向電壓增加。由于其動態(tài)內(nèi)阻極小，所以將使流過穩(wěn)壓管的電流IZ劇增，I也增加，R上的電壓UR隨之增大，補償了UI增大，使UO幾乎保持不變。

當UI不變，而負載電阻RL減小時，將引起輸出電流IO上升，使輸出電壓UO下降，穩(wěn)壓管兩端反向電壓也隨之下降，由于其動態(tài)內(nèi)阻極小，這將使IZ大大減小，I也隨之減小，R上的電壓UR減小，補償了UO減小，使UO幾乎保持不變。

（2）電路參數(shù)計算

提示

選擇穩(wěn)壓二極管：穩(wěn)壓二極管是電路的關鍵器件，擔負著穩(wěn)壓電路的調(diào)節(jié)作用。為了使穩(wěn)壓電路能夠滿足輸出電壓UO和負載電流IL的要求，選擇穩(wěn)壓管時要留有一定的富裕量。一般情況下，可以按UZ=UO及IZM=（1.5～3）IOmax，這是因為當負載開路時，所有電流都要流過穩(wěn)壓管，另外在電源電壓升高時，也會使流過穩(wěn)壓二極管的電流增加。

確定穩(wěn)壓電路輸入電壓UI：一般取UI=（1.5～2）UO。

確定限流電阻R時，應考慮以下兩種極限情況。

輸入直流電壓UI為最大值，同時負載電流為最小值，這時流過穩(wěn)壓管的電流最大，為了不燒毀穩(wěn)壓管，此時的電流應小于穩(wěn)壓管的最大工作電流IZM，因此限流電阻R的最小值應滿足：

輸入電壓為最小值，同時負載電流為最大值IOmax，此時流過穩(wěn)壓管的電流為最小，為保證穩(wěn)壓管工作在擊穿區(qū)，應保證流過穩(wěn)壓管的電流不小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電流IZ，因此限流電阻R的最大值應滿足：

限流電阻R的選擇公式如下：

　　（1.6）

限流電阻R的阻值選得小一些，電阻上的損耗就會小一點； R的阻值選得大一些，電路的穩(wěn)壓性能就好一些。若出現(xiàn)不正常現(xiàn)象，則說明初選的穩(wěn)壓管的最大工作電流太小，應選IZM比較大的管子。

歸納

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路結構簡單，但性能指標較低、輸出電壓不能調(diào)節(jié)、輸出電流受穩(wěn)壓管的IZM限制，故這種穩(wěn)壓電路只能用在輸出電壓固定、輸出電流變化不大的場合。穩(wěn)壓二極管除了實現(xiàn)穩(wěn)壓以外，還可以組成限幅電路，如在運算放大器組成的電壓比較器中用穩(wěn)壓二極管來限定輸出電壓大小。

請用實驗來測試圖1.16所示電路的穩(wěn)壓功能（或用Multisim軟件仿真）。

1.4.2　變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管是利用PN結具有電容特性的原理制成的特殊二極管，其符號如圖1.17所示。

變?nèi)荻O管結電容隨外加電壓而變化，二極管（PN結）的電容效應按產(chǎn)生的原因可分為擴散電容和勢壘電容，擴散電容是由于載流子在擴散運動中的積累所形成的，PN結正向偏置時，擴散電容大，反向偏置時，擴散電容很小，一般可以忽略。勢壘電容是由空間電荷層中的電荷量變化形成的，PN結正向偏置時，勢壘電容很小，反向偏置時，勢壘電容大。

注意

擴散電容和勢壘電容都隨外加電壓的改變而改變，與普通電容不一樣，屬非線性電容。PN結的結電容是擴散電容和勢壘電容之和，PN結正向偏置時，以擴散電容為主，PN結反向偏置時，則以勢壘電容為主。

變?nèi)荻O管可用于電子調(diào)諧、調(diào)頻、調(diào)相和頻率的自動控制等電路中。

1.4.3　發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LED）是一種將電能轉換成光能的特殊二極管（發(fā)光器件），其外形及符號如圖1.18所示。

通常制成發(fā)光二極管的半導體中摻雜濃度很高，當管子外加正向電壓時，大量的電子和空穴在空間電荷區(qū)復合時釋放出的能量大部分轉為光能，從而使發(fā)光二極管發(fā)光。

發(fā)光二極管光的顏色（光譜的波長）由制成二極管的材料決定，常用的發(fā)光材料是砷化鎵、磷化鎵等，可以發(fā)出紅、黃和綠等可見光，也可以發(fā)出看不見的紅外光。

發(fā)光二極管正向偏壓遠大于硅二極管，一般是在1.2～3.2V之間，而發(fā)光二極管反向擊穿電壓遠小于硅二極管（一般為3～10V之間）。

注意

發(fā)光二極管使用時必須正向偏置，其工作電流一般在幾毫安至幾十毫安，使用時應串聯(lián)限流電阻。由于發(fā)光二極管的反向耐壓較低，通常在發(fā)光二極管的兩端反向并聯(lián)一個二極管，起到保護作用。

發(fā)光二極管因其具有驅動電壓低、功耗小、壽命長和可靠性高等優(yōu)點，因而通常用做顯示器件，廣泛應用于顯示電路中，除單個使用外，還可以用多個PN結按分段式制成數(shù)碼管或做成點陣式顯示器。發(fā)光二極管的另一個重要用途是將電信號變?yōu)楣庑盘枺ㄟ^光纜傳輸，然后用光電二極管接收，再現(xiàn)電信號，組成光電傳輸系統(tǒng)，應用于光纖通信和自動控制系統(tǒng)中，此外它還可以與光電管一起構成光電耦合器件。

1.4.4　光電二極管

光電二極管又稱光敏二極管或遠紅外線接收管，是一種光能與電能進行轉換的器件，是將光信號轉換為電信號的特殊二極管（受光器件），其結構及符號如圖1.19所示。光電二極管的結構與普通二極管一樣，其基本結構也是一個PN結，它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入。

光電二極管工作在反向偏置下，在無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，該電流稱為暗電流，此時光電二極管的反向電阻高達幾十兆歐。當有光照時，產(chǎn)生電子-空穴對，統(tǒng)稱為光生載流子，在反壓的作用下，光生載流子參與導電，形成比無光照時大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流，此時光電二極管的反向電阻下降至幾千歐至幾十千歐。光電流與光照強度成正比，如果外電路接上負載，便可獲得隨光照強弱而變化的電信號。所以，光電二極管又叫光敏二極管。

歸納

光電二極管一般作為光電檢測器件，將光信號轉變成電信號。所以光電二極管可用來測量光照的強度，也可做成光電池。

1.4.5　激光二極管

激光二極管的符號與發(fā)光二極管一樣，結構上與發(fā)光二極管很相近，它是在發(fā)光二極管的PN結間安置一層具有光活性的半導體，其端面經(jīng)過拋光后具有部分反射功能（光反饋），因而形成一光諧振腔，使光電子在腔中多次反射，發(fā)生激光振蕩。在正向偏置的情況下，PN結發(fā)射出光來并與光諧振腔相互作用，從而進一步激勵從PN結上發(fā)射出單波長的光，這樣就產(chǎn)生了激光。而發(fā)光二極管沒有光諧振腔，它的發(fā)光限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，而不是激光。

歸納

激光二極管宜作為大容量、遠距離光纖通信的光源。激光二極管也可以應用于小功率光電設備中，如計算機上的光盤驅動器、激光打印機中的打印頭等。

思考題

1.在穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路中限流電阻起什么作用？

2.變?nèi)荻O管工作在什么偏壓狀態(tài)？其用途是什么？

3.發(fā)光二極管（LED）與光電二極管有何區(qū)別？

4.光電二極管正常工作時的偏壓狀態(tài)如何？

5.在沒有光的條件下，光電二極管中有一個非常小的反向電流。該電流叫做什么？