1.2　半導(dǎo)體二極管

1.2.1　二極管的構(gòu)成、符號(hào)及分類

1.二極管的構(gòu)成

二極管是最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件，由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。在PN結(jié)的兩個(gè)區(qū)分別引出電極引線，并用一定的外殼封裝，就制成了半導(dǎo)體二極管，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.4所示。

從PN結(jié)P區(qū)引出的電極稱為正極（或陽(yáng)極），從N區(qū)引出的電極稱為負(fù)極（或陰極），其電路符號(hào)如圖1.5所示，三角箭頭的方向表示二極管正向電流的流通方向，正向電流只能由P區(qū)流向N區(qū)，二極管的文字符號(hào)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中用VD表示。由于用途和封裝的不同，二極管的外形各異，幾種常見(jiàn)的二極管外形如圖1.6所示。

2.二極管的分類

二極管的種類很多，按所用的半導(dǎo)體材料分，有硅二極管、鍺二極管、砷化鎵二極管等，其中硅二極管的熱穩(wěn)定性比鍺二極管好的多。

按功率分有小功率管和大功率管。

按用途分有普通二極管、整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開(kāi)關(guān)二極管、變?nèi)荻O管、發(fā)光二極管等。

按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三類。點(diǎn)接觸型二極管由于PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，適用于較高頻率下工作，但允許通過(guò)的正向電流小，主要用于高頻檢波和小電流整流；面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容大，只能在較低頻率下工作，但它允許通過(guò)的正向電流大，可用于大功率整流電路，如電源整流；平面型二極管根據(jù)工藝方法不同，結(jié)面積可大可小，低頻大電流整流以及數(shù)字電路開(kāi)關(guān)管都可應(yīng)用，這種工藝的PN結(jié)是集成電路常用的一種形式。

1.2.2　二極管的伏安特性

從構(gòu)成可知二極管的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)PN結(jié)，因此二極管的主要特性就是單向?qū)щ娦浴Ｋ^伏安特性，就是加在二極管兩端的電壓與流過(guò)二極管的電流之間的關(guān)系，它能全面反映二極管的主要特點(diǎn)和性能，是選擇和使用二極管的重要依據(jù)。二極管的伏安特性可用特性曲線或伏安特性方程來(lái)描述。

1.二極管的伏安特性曲線

將二極管兩端電壓與流過(guò)的電流在坐標(biāo)平面內(nèi)建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，所得的曲線就是二極管的伏安特性曲線。可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)電路測(cè)量，得到若干組二極管兩端電壓和對(duì)應(yīng)的電流數(shù)據(jù)，然后逐點(diǎn)描繪出二極管的伏安特性曲線，或是用晶體管特性圖示儀直接觀察，得如圖1.7所示曲線。

二極管的伏安特性曲線可分成三部分來(lái)討論。

1）正向特性

正向特性是指二極管外加正向電壓時(shí)的特性，即二極管陽(yáng)極接電源正極，陰極接電源負(fù)極時(shí)的特性，正向特性曲線如圖1.7（U>0部分）所示。當(dāng)二極管兩端的正向電壓小于某一數(shù)值時(shí)，流過(guò)二極管的正向電流幾乎為零，二極管不導(dǎo)通，這一段稱為死區(qū)。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一值時(shí)，二極管才開(kāi)始有明顯的正向電流產(chǎn)生，使二極管剛剛產(chǎn)生正向電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的正向電壓稱為死區(qū)電壓或開(kāi)啟電壓，用UTH表示，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V。

當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓以后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。二極管正向?qū)ê螅螂娏鞯拇笮≈饕赏怆娐窙Q定，二極管兩端的正向壓降基本上是一個(gè)常數(shù)，硅管的正向壓降一般為0.6～0.7V，鍺管的正向壓降一般為0.2～0.3V，工程上一般取硅管0.7V，鍺管0.3V。

2）反向特性

反向特性是指二極管外加反向電壓時(shí)的特性，即二極管陽(yáng)極接電源負(fù)極，陰極接電源正極時(shí)的特性，反向特性曲線如圖1.7（U<0部分）所示。二極管兩端的反向電壓小于一定數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生的反向電流極小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，近似處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)的反向電流有兩個(gè)特點(diǎn)，其一，反向電流的大小基本不隨反向電壓的變化而變化，呈飽和性，故稱之為反向飽和電流，用IS表示，小功率硅管的IS一般小于0.1μA，鍺管達(dá)幾十微安，這也是硅管應(yīng)用比較多的原因之一；其二，反向電流受溫度的影響很大，溫度每升高10℃，IS增大一倍，會(huì)影響二極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

3）反向擊穿特性

當(dāng)二極管兩端的反向電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，二極管處于反向擊穿狀態(tài)。使二極管反向擊穿時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向電壓稱為反向擊穿電壓，用UBR表示。反向擊穿時(shí)二極管將失去單向?qū)щ娦裕话愣O管不允許工作在擊穿狀態(tài)。

2.二極管的伏安特性方程

不同類型二極管的正、反向伏安特性曲線的形狀及變化趨勢(shì)很相近，理論分析和實(shí)驗(yàn)均證明，流過(guò)二極管的電流與其兩端所加的電壓之間的關(guān)系可用二極管的伏安特性方程表示

式中，IS為二極的反向飽和電流；UT為溫度電壓當(dāng)量，與溫度有關(guān)，常溫下UT≈26mV。當(dāng)u=0時(shí)，i=0；當(dāng)u大于UT幾倍時(shí)， ；當(dāng)u<0，且|u|大于UT幾倍時(shí)，i≈-IS。

綜上所述，二極管的基本特性為單向?qū)щ娦裕瑹o(wú)論是特性曲線還是特性方程，所反映的電流與電壓之間的關(guān)系都不是線性的，其內(nèi)阻不是常數(shù)，二極管是一種非線性半導(dǎo)體器件。

1.2.3　二極管的主要參數(shù)

器件的參數(shù)是對(duì)器件性能的定量描述，是實(shí)際工作中正確地選擇和合理地使用器件的依據(jù)。二極管的主要參數(shù)有：

（1）最大整流電流IF，是指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流值。IF受二極管允許的溫升所限定，使用時(shí)必須滿足一定的散熱條件并使流過(guò)管子的正向平均電流不能超過(guò)此值，否則二極管會(huì)過(guò)熱而損壞。

（2）最高反向工作電壓URM，是指二極管工作時(shí)允許加的最大反向電壓，是保證二極管不被反向擊穿而規(guī)定的最大反向工作電壓。一般手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓約為反向擊穿電壓的一半，以確保二極管安全工作。

（3）反向飽和電流IS，是二極管未擊穿時(shí)的反向工作電流。對(duì)二極管來(lái)說(shuō)IS越小越好，IS越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?shí)際使用時(shí)還應(yīng)注意溫度對(duì)IS的影響。

（4）最高工作頻率fM，是指允許加在二極管兩端交流電壓的最高頻率值。使用中交流電壓的頻率若超過(guò)此值，二極管的單向?qū)щ娦詴?huì)變差甚至失去單向?qū)щ娦浴?/p>

1.2.4　二極管的識(shí)別、檢測(cè)及使用注意事項(xiàng)

1.二極管的識(shí)別、檢測(cè)

在實(shí)際使用二極管前必須對(duì)二極管的極性和好壞質(zhì)量有正確的認(rèn)識(shí)與判斷，否則非但會(huì)造成電路不能正常工作，甚至?xí)p毀二極管和其他元件。

1）二極管正、負(fù)極的識(shí)別判斷

二極管的正、負(fù)極首先可通過(guò)管殼上的符號(hào)、標(biāo)志或外形來(lái)識(shí)別，其中用二極管電路符號(hào)做標(biāo)志的，箭頭所指電極為二極管的負(fù)極；用標(biāo)注色環(huán)、色帶做標(biāo)志的，色環(huán)、色帶所在的一端電極為二極管的負(fù)極；帶定位標(biāo)記的，判別時(shí)，觀察者面對(duì)管底，由定位標(biāo)記起，按順時(shí)針?lè)较颍€依次為正極和負(fù)極；大功率二極管正負(fù)極引線形式不同，從外形看，帶有螺紋的一端為二極管的負(fù)極。

如果沒(méi)有標(biāo)志或標(biāo)志不清，外觀上不能加以識(shí)別，可根據(jù)二極管的單向特性（正向電阻小，反向電阻大），用萬(wàn)用表來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，其方法如下：首先把萬(wàn)用表?yè)艿絉×100Ω或R×1kΩ擋（一般不用R×10Ω擋，電流太大；也不用R×10kΩ擋，電壓太高），然后，將兩表筆分別接二極管的兩個(gè)電極，測(cè)得一個(gè)電阻值，交換一次電極再測(cè)一次，從而得到兩個(gè)電阻值。二極管的正向電阻值一股在幾十歐至幾千歐之間，反向電阻值一般在幾十千歐到幾百千歐之間。若以所測(cè)得的兩個(gè)電阻值中數(shù)值最小的一次為準(zhǔn)，則黑表筆接的是二極管的正極，紅表筆接的是二極管的負(fù)極；如果以電阻值最大的一次為準(zhǔn)，則紅表筆接的是二極管的正極，黑表筆接的是二極管的負(fù)極。

2）二極管好壞的檢測(cè)判斷

方法同上，若二次測(cè)得的正、反向電阻值均很小或近于零，說(shuō)明管子內(nèi)部已擊穿而短路；如果正、反向電阻值均很大或接近于無(wú)窮大，說(shuō)明管于內(nèi)部已經(jīng)斷開(kāi)（常稱為開(kāi)路）；如果電阻值相差不大，說(shuō)明二極管性能變壞或已失效，出現(xiàn)以上三種情況的二極管都不能使用。若測(cè)得反向電阻值比正向電阻值大很多（一般百倍以上），說(shuō)明是好管，正反向阻值相差越大，表針指示越穩(wěn)定，二極管的性能越好；若表針不能穩(wěn)定在某一阻值上，說(shuō)明二極管穩(wěn)定性差。

3）硅二極管和鍺二極管的判別

首先，可以從管殼上標(biāo)有的型號(hào)來(lái)加以判別，當(dāng)看不到型號(hào)時(shí)，我們可以利用硅管和鍺管正、反向電阻值不一樣的特點(diǎn)（硅管的正反向電阻比鍺管大）用萬(wàn)用表來(lái)判別。其判別方法如下：

將萬(wàn)用表?yè)艿絉×100Ω或R×1kΩ擋，測(cè)量二極管的正向電阻值，如果表針的指示在表盤中間或中間偏右一點(diǎn)，則該管為硅管；若表針指示靠近0的位置，則表明所測(cè)管為鍺二極管。然后，再測(cè)二極管的反向電阻，如果表針基本不動(dòng)，在“∞”處附近，則為硅管；如果表針有很小的偏轉(zhuǎn)（一般不超過(guò)滿度的四分之一），則為鍺管。

還可以用萬(wàn)用表測(cè)二極管的正向電阻估算其導(dǎo)通壓降的方法來(lái)區(qū)分，方法是：測(cè)正向電阻時(shí)，表針指示的十分度刻度線的反轉(zhuǎn)刻度乘以1.5V，便是二極管的正向壓降，然后根據(jù)硅為0.7V左右，鍺管0.3V左右加以判斷。例如：某一被測(cè)管的表針指在0.55刻度，則其反轉(zhuǎn)刻度為0.45，由此可算出二極管兩端正向壓降為U=1.5V×0.45=0.675V，可知該管是硅二極管。

2.二極管的選用及注意事項(xiàng)

選用管子首先要保證其能安全可靠地工作，也就是被選用的管子在使用時(shí)不能超過(guò)它的極限參數(shù)，并留有一定的余量。而且選用的管子應(yīng)具有良好的性能，一般原則是：要求導(dǎo)通后正向壓降較小時(shí)選擇鍺管，要求反向電流較小時(shí)選用硅管；要求工作電流大時(shí)選擇面接觸型，工作頻率高時(shí)選取點(diǎn)接觸型；要求反向擊穿電壓較高時(shí)選用硅管；要求耐高溫時(shí)選用硅管。也可根據(jù)實(shí)際電路的技術(shù)要求，估算二極管應(yīng)具有的參數(shù)，并考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚殚喪謨?cè)以確定管子的型號(hào)和參數(shù)。

國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體器件的型號(hào)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 249—1989）規(guī)定由五部分組成：

3.二極管使用時(shí)的注意事項(xiàng)

（1）二極管應(yīng)按照用途、參數(shù)及使用環(huán)境選擇。各主要參數(shù)可以從半導(dǎo)體器件手冊(cè)中查到。但應(yīng)指出，由于工藝制造的原因，參數(shù)的分散性較大，手冊(cè)上給出的往往是參數(shù)值的范圍。另外，各種參數(shù)是在規(guī)定的條件下測(cè)得的，在使用時(shí)要注意這些條件。

（2）使用二極管時(shí)，正、負(fù)極不可接反。通過(guò)二極管的電流、承受的反壓及環(huán)境溫度等都不應(yīng)超過(guò)手冊(cè)中所規(guī)定的極限值。

（3）更換二極管時(shí)，應(yīng)用同類型或高一級(jí)的代替。

（4）二極管的引線彎曲處距離外殼端面面積應(yīng)不小于2mm，以免造成引線折斷或外殼破裂。

（5）焊接時(shí)應(yīng)用35W以下的電烙鐵，焊接要迅速，并用鑷子夾住引線根部以幫助散熱，防止燒壞管子。

（6）安裝時(shí)，應(yīng)避免靠近發(fā)熱元件，對(duì)功率較大的二極管，應(yīng)注意良好散熱。

（7）二極管在容性負(fù)載電路中工作時(shí)，二極管整流電流應(yīng)大于負(fù)載電流的20％。

1.2.5　二極管的電路模型

由二極管的伏安特性可知，二極管是一種非線性半導(dǎo)體器件，這給二極管應(yīng)用電路的分析帶來(lái)一定的困難。為了便于分析，常在一定的條件下，用線性元件所構(gòu)成的電路來(lái)近似模擬二極管的特性，并用之取代電路中的二極管。能夠模擬二極管特性的電路稱為二極管的等效電路，也稱為二極管的等效模型。在工程分析中，力求模型簡(jiǎn)單、實(shí)用，以突出電路的功能及主要特性。

1.二極管大信號(hào)的電路模型

在大信號(hào)工作時(shí)，二極管相當(dāng)于開(kāi)關(guān)，所以在分析二極管電路時(shí)，必須首先判斷二極管是導(dǎo)通還是截止，然后再根據(jù)二極管在實(shí)際工作中的不同要求確定二極管相應(yīng)的等效電路，從而把二極管電路變?yōu)樘囟l件下的線性電路。下面介紹兩種二極管開(kāi)關(guān)等效電路。

1）理想二極管模型

理想二極管模型是一種最簡(jiǎn)單而又最常用的模型。它將二極管的單向?qū)щ娦宰髁死硐牖幚怼．?dāng)正向偏置時(shí)，二極管導(dǎo)通且導(dǎo)通壓降為0，即二極管正向?qū)〞r(shí)為短路特性，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；反向偏置時(shí)，二極管截止，反向電流為零，即二極管截止時(shí)為開(kāi)路特性，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，如圖1.8所示。

理想二極管模型與實(shí)際的二極管特性雖然有一定的差別，但由于其簡(jiǎn)單實(shí)用，從而得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，常用此法來(lái)近似分析。

2）考慮二極管導(dǎo)通壓降的等效電路

在相當(dāng)多的情況下，二極管本身的導(dǎo)通壓降不能忽略。二極管的伏安特性表明二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降基本為一個(gè)常量（硅管0.7V，鍺管0.3V），截止時(shí)反向電流近似為零，因而二極管正向?qū)〞r(shí)等效為一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)和一個(gè)電壓源Uon的串聯(lián)，截止時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)的等效電路如圖1.9所示。

顯然，這種模型比理想二極管模型要更加接近實(shí)際的二極管特性。采用這種等效方法時(shí)，流過(guò)二極管的正向電流應(yīng)近似等于或大于lmA。

在分析計(jì)算二極管電路時(shí)，應(yīng)首先判斷二極管是導(dǎo)通的還是截止的，然后再計(jì)算。方法是：判斷哪個(gè)管子就將該二極管假設(shè)移開(kāi)，按原二極管的正向求出兩個(gè)斷開(kāi)點(diǎn)之間的電位差。該電位差若大于等于二極管的正向?qū)妷海ɡ硐攵O管為0，非理想二極管為用Uon；硅管為0.7V，鍺管為0.3V）時(shí)，將二極管接上肯定是導(dǎo)通的，否則就不導(dǎo)通。

【例1.1】　二極管工作狀態(tài)的判定。判定如圖1.10所示電路中硅二極管的工作狀態(tài)并計(jì)算UAB的值。

【解】　在圖1.10中，假定VD斷開(kāi)，則VD上端A點(diǎn)電位和下端B點(diǎn)電位分別為6V和0，接上VD，明顯可見(jiàn)VD正偏導(dǎo)通，可得如圖1.11所示等效電路。硅二極管的正向?qū)▔航禐?.7V，VD導(dǎo)通后，其正極端比負(fù)極端的電位高山約0.7V，因此UAB=0.7V。

【例1.2】　由硅二極管VD1、VD2和VD3組成的電路如圖1.12所示，試求電壓UAB和電流I。

【解】　（1）首先判斷VD2和VD3是否導(dǎo)通。將VD2、VD3斷開(kāi)，求A、B端的電位差UAB。設(shè)VD1導(dǎo)通時(shí)，有

UAB=Uon+E2=0.7+3=3.7（V）

如將VD2和VD3接入，則VD2和VD3一定導(dǎo)通。再設(shè)VD1截止時(shí)，UAB=E1=5V，若接入VD2和VD3，也一定會(huì)導(dǎo)通。于是，可得出一個(gè)結(jié)論：不論VD1是導(dǎo)通或是截止，VD2和VD3肯定是導(dǎo)通的。

（2）在VD2和VD3肯定導(dǎo)通的前提下，再來(lái)判斷VD1究竟是導(dǎo)通還是截止。將VD1斷開(kāi)，求A和C兩點(diǎn)的電位差UAC，有

UAC=UAB+UBC=Uon+Uon+（-E2）=0.7+0.7-3=-1.6（V）

因此，接入VD1也不會(huì)導(dǎo)通。得出的又一個(gè)結(jié)論是VD1截止。

（3）三個(gè)二極管的工作狀態(tài)均確定了之后，得相應(yīng)的等效電路如圖1.13所示，則

UAB=Uon+Uon=0.7+0.7=1.4（V）

I=（E1-UAB）/R=（5-1.4）/2=1.8（mA）

2.二極管低頻小信號(hào)模型

二極管外加直流正向偏置電壓導(dǎo)通后，以該直流電壓為中心再加上一個(gè)微小的交流電壓，討論二極管對(duì)這個(gè)微小交流電壓的特性而對(duì)二極管這個(gè)非線性器件所做的線性化處理，即為二極管的低頻交流小信號(hào)模型。在一定的工作點(diǎn)附近，小信號(hào)范圍內(nèi)，二極管等效為一個(gè)交流電阻rd，如圖1.14所示。rd定義為二極管工作點(diǎn)附近電壓的微變量與電流的微變量之比

rd=ΔuD/ΔiD

由二極管的伏安特性方程可得

值得注意的是，小信號(hào)模型只適用于二極管處于正向?qū)ㄇ倚盘?hào)變化幅度較小的情況。這個(gè)交流電阻的大小是與工作點(diǎn)處的直流電流ID密切相關(guān)的，但只能用來(lái)分析交流，不能用于直流分析。

1.2.6　二極管的基本應(yīng)用

二極管是電子電路中最常使用的半導(dǎo)體器件，利用其單向?qū)щ娞匦约皩?dǎo)通時(shí)正向壓降很小的特點(diǎn)，可用來(lái)完成整流、鉗位、限幅、開(kāi)關(guān)以及電路元件保護(hù)等任務(wù)。

1.整流

所謂整流，就是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟妷鹤優(yōu)閱畏较蛎}動(dòng)的直流電壓。然后再經(jīng)過(guò)濾波、穩(wěn)壓，便可以獲得平穩(wěn)的直流電壓。

2.鉗位

利用二極管正向?qū)〞r(shí)壓降很小的特性，將電路中某點(diǎn)電位值鉗制在選定的數(shù)值上而不受負(fù)載變動(dòng)影響的電路叫鉗位電路。如圖1.15所示。只要二極管VD處于導(dǎo)通狀態(tài)，不論負(fù)載RL改變多少，電路的輸出電壓uo始終等于UG+Uon，其中Uon為二極管的導(dǎo)通電壓。

3.限幅

當(dāng)輸入信號(hào)電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓隨輸入電壓相應(yīng)變化；而當(dāng)輸入電壓超出該范圍時(shí)，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。通常將輸出電壓uo開(kāi)始不變的電壓值稱為限幅電平，當(dāng)輸入電壓高于限幅電平時(shí)，輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅；當(dāng)輸入電壓低于限幅電平時(shí)，輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。

1）上限幅電路（圖1.16）設(shè)二極管理想，E=0，限幅電平為0。ui>0時(shí)二極管導(dǎo)通，uo=0；ui<0時(shí)二極管截止，uo=ui。波形如圖1.17（a）所示。

如果0<E<Um則限幅電平為+E。ui<E，二極管截止，uo=ui；ui>E，二極管導(dǎo)通uo=E。波形圖如圖1.17（b）所示。

如果-Um<E<0，則限幅電平為-E，波形圖如圖1.17（c）所示。

2）下限幅電路

將上限幅電路的二極管正、負(fù)對(duì)調(diào)就構(gòu)成了下限幅電路，如圖1.18所示。

設(shè)二極管理想，當(dāng)ui>E時(shí)，二極管截止，uo=ui；當(dāng)ui<E時(shí)，二極管導(dǎo)通，uo=E，輸出電壓被限定在E值上，如圖1.19所示。

3）雙向限幅電路

將上限幅電路與下限幅電并聯(lián)在一起就可構(gòu)成雙向限幅電路，如圖1.20所示。

設(shè)二極管理想，當(dāng)-E2<ui<E1時(shí)，VDl、VD2都處于反向偏置而截止，因此I=0，uo=ui。當(dāng)ui>E1時(shí)，VDl處于正向偏置而導(dǎo)通，使輸出電壓保持在E1；當(dāng)ui<-E2時(shí)，VD2處于正向偏置而導(dǎo)通，輸出電壓保持在-E2。由于輸出電壓uo被限制在+E1與-E2之間，即|uo|≤5V，好像將輸入信號(hào)的高峰和低谷部分削掉一樣，因此這種電路又稱為削波電路。輸入、輸出波形如圖1.21所示。

4.開(kāi)關(guān)電路

二極管在數(shù)字電路中應(yīng)用時(shí)，常將其理想化為—個(gè)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件。二極管正向?qū)〞r(shí)，正向壓降為0，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；二極管反向截止時(shí)，視其反向電流為0，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

【例1.3】　二極管開(kāi)關(guān)電路如圖1.22所示，設(shè)二極管為理想二極管。當(dāng)UA、UB為0和5V時(shí)，根據(jù)UA、UB取值的不同組合，判定二極管的工作狀態(tài)，并計(jì)算Uo。

【解】　理想二極管的正向?qū)▔航禐?，反向截止時(shí)的電阻為無(wú)窮大。在圖1.22中，因?yàn)槎O管理想，正向?qū)▔航禐?。根據(jù)UA、UB取值的不同組合，二極管的工作狀態(tài)和輸出電壓Uo見(jiàn)表1.1。由表1.1可見(jiàn)，輸入電壓有一個(gè)為5V，則輸出電壓為5V，只有輸入電壓全為0時(shí)，輸出電壓才為0，這種關(guān)系在數(shù)字電路中稱為或邏輯關(guān)系。

5.電路中的元器件保護(hù)

在電子電路中，常用二極管來(lái)保護(hù)其他元器件免受過(guò)高電壓的損害，如圖1.23所示的電路，L和R是線圈的電感和電阻。

在開(kāi)關(guān)S接通時(shí)，電源E給線圈供電，L中有電流流過(guò)，儲(chǔ)存了磁場(chǎng)能量。在開(kāi)關(guān)S由接通到斷開(kāi)的瞬間，電流突然中斷，L中將產(chǎn)生一個(gè)高于電源電壓很多倍的自感電動(dòng)勢(shì)eL，由于eL與E疊加作用，在開(kāi)關(guān)S的端子上產(chǎn)生電火花放電，這將影響設(shè)備的正常工作，使開(kāi)關(guān)S壽命縮短。接入二極管VD后，eL通過(guò)二極管VD產(chǎn)生放電電流i，使L中存儲(chǔ)的能量不經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)S放掉，從而保護(hù)了開(kāi)關(guān)S。

1.2.7　特殊二極管簡(jiǎn)介

1.穩(wěn)壓二極管

1）穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓作用

穩(wěn)壓管是一種特殊工藝制成的面接觸型硅二極管，它和普通的二極管一樣，實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)PN結(jié)。由于它在電路中與適當(dāng)阻值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，所以稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線及電路圖形符號(hào)如圖1.24所示。

由圖1.24可見(jiàn)穩(wěn)壓管的正向特性曲線和普通二極管相似，而反向擊穿特性曲線比較陡，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時(shí)正是工作于特性曲線的反向擊穿區(qū)域。在擊穿狀態(tài)下，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，管子兩端的電壓幾乎不變，這就是穩(wěn)壓管具有穩(wěn)壓作用的原因所在。與一般二極管不一樣，穩(wěn)壓管的反向擊穿是可逆的，沒(méi)有破壞性，只要在電路中串接一個(gè)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮杈湍鼙ＷC穩(wěn)壓管不因過(guò)熱而燒壞，當(dāng)去掉反向電壓之后，穩(wěn)壓管又恢復(fù)常態(tài)，故它可長(zhǎng)期工作在反向擊穿區(qū)而不致?lián)p壞。常用的穩(wěn)壓管有2CW和2DW系列。

在實(shí)際中使用穩(wěn)壓二極管要滿足兩個(gè)條件：一是使穩(wěn)壓二極管反向偏置，保證管子工作在反向擊穿狀態(tài)；二是要有串聯(lián)限流電阻配合使用，保證流過(guò)管子的電流在允許的范圍內(nèi)。

2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

（1）穩(wěn)定電壓UZ。是穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)管子兩端穩(wěn)定的工作電壓。管子型號(hào)不同，UZ也不同，即使是同一型號(hào)的管子，其實(shí)際穩(wěn)定電壓值并不完全相同，而具有一定的分散性。手冊(cè)中給出的是某一型號(hào)管子的穩(wěn)定電壓范圍，例如2CWl8穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為10～12V。使用時(shí)要進(jìn)行調(diào)試，按需要挑選。

（2）穩(wěn)定電流IZ。是穩(wěn)壓管保持穩(wěn)定電壓UZ值時(shí)的工作電流，工作電流若小于IZ，穩(wěn)壓管性能較差。

（3）最大穩(wěn)定電流Izmax。是指穩(wěn)壓管允許通過(guò)的最大反向電流。使用穩(wěn)壓管時(shí)要限制其工作電流不能超過(guò)Izmax，否則可能使穩(wěn)壓管熱擊穿而損壞。

（4）動(dòng)態(tài)內(nèi)阻rz。是穩(wěn)壓管在正常工作區(qū)（即反向擊穿區(qū)）工作時(shí)管子兩端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值，即rz=ΔUz/ΔIz。動(dòng)態(tài)電阻是衡量穩(wěn)壓性能好壞的重要指標(biāo)。穩(wěn)壓管的反向擊穿特性曲線越陡，則動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好。

（5）最大耗散功率PZM。它是穩(wěn)壓管工作時(shí)所允許的最大耗散功率，是由管子允許的溫升決定的。它等于最大穩(wěn)定電流與相應(yīng)穩(wěn)定電壓的乘積。一般穩(wěn)壓管的最大耗散功率為幾百毫瓦到幾瓦。穩(wěn)壓管消耗的電功率超過(guò)PZM時(shí)，管子將過(guò)熱損壞。

穩(wěn)壓管在電路中的主要作用是穩(wěn)壓和限幅，也可和其他電路配合構(gòu)成欠壓或過(guò)壓保護(hù)、報(bào)警環(huán)節(jié)等。

【例1.4】　穩(wěn)壓管限幅電路如圖1.25所示，輸入電壓ui為幅度為10V的正弦波，電路中使用兩個(gè)穩(wěn)壓管對(duì)接，已知UZ1=6V，UZ2=3V，穩(wěn)壓二極管的正向?qū)▔航禐?.7V，試對(duì)應(yīng)輸入電壓ui畫出輸出電壓uo的波形。

【解】　正半周0<ui<Uon+UZ2時(shí)，VZ1、VZ2均截止，uo=ui；當(dāng)ui>Uon+UZ2時(shí)，VZ1正向?qū)ǎ琕Z2反向擊穿，則

uo=0.7+3=3.7（V）

負(fù)半周0>ui>Uon+UZ2時(shí)，VZ1，VZ2均截止，uo=ui；當(dāng)ui<Uon+UZ2時(shí)，VZ1反向擊穿，VZ2正向?qū)ǎ?/p>

uo=-（0.7+6）=-6.7（V）

可見(jiàn)，輸出電壓uo被限定在-6.7～+3.7V，波形如圖1.25所示。

2.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LED）是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管。它由砷化鎵、磷化鎵等化合物半導(dǎo)體制成，基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，當(dāng)外加正向電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)出光來(lái)，發(fā)光的顏色取決于所采用的半導(dǎo)體材料，目前使用的有紅、橙、黃、綠、藍(lán)等顏色的發(fā)光二極管。其外形有圓形、長(zhǎng)方形等數(shù)種，電路符號(hào)如圖1.26所示。

發(fā)光二極管的伏安特性曲線與普通二極管類似，但正向?qū)▔航当绕胀ǘO管高，一般為1.5～3V，允許通過(guò)的電流為2～20mA，電流的大小決定發(fā)光的亮度。應(yīng)用時(shí)必須加正向電壓，并接入相應(yīng)的限流電阻。

發(fā)光二極管具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定且亮度比較高、響應(yīng)速度快以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的發(fā)光器件，在各種電子設(shè)備、家用電器以及顯示裝置中得到廣泛的應(yīng)用；除單個(gè)使用外，還可將多個(gè)按分段式制成數(shù)碼管或做成矩陣式顯示器，如數(shù)字電路中的七段數(shù)碼管；還可將電信號(hào)變成光信號(hào)進(jìn)行光纜傳輸；閃爍發(fā)光的二極管能引起人們的警覺(jué)，可用于光報(bào)警電路；目前已開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出一種高亮度的發(fā)光二極管用于照明，其發(fā)光效率是普通白熾燈的10倍以上，它的應(yīng)用將是照明領(lǐng)域的一次革命。

發(fā)光二極管出廠時(shí)，一根引線做得比另一根長(zhǎng)，通常引線較長(zhǎng)是陽(yáng)極（+），短的是陰極（-）。發(fā)光二極管也是一個(gè)PN結(jié)，可以用萬(wàn)用表的R×10kΩ擋識(shí)別其正、負(fù)引腳，方法同普通二極管的識(shí)別。

3.光電二極管

光電二極管是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的特殊二極管，又叫光敏二極管。與普通二極管一樣，其基本構(gòu)成也是一個(gè)PN結(jié)，不同的是它的PN結(jié)面積做得較大，以增大受光面積；另外，外形上光電二極管的管殼上開(kāi)有一個(gè)玻璃窗口，以便于光線射入。光電二極管的電路符號(hào)如圖1.27所示。

光電二極管工作在反向偏置下，無(wú)光照時(shí)，只有很小的反向電流（稱為暗電流）流過(guò)，當(dāng)有光照射時(shí)，就能產(chǎn)生比無(wú)光照時(shí)大得多的反向電流，此反向電流與光照強(qiáng)度成正比。如果外電路接上負(fù)載電阻，便可獲得隨光照強(qiáng)弱變化的電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

光電二極管作為光電器件，廣泛應(yīng)用于光的測(cè)量和光電自動(dòng)控制系統(tǒng)，如光纖通信中的光接收機(jī)、電視機(jī)和家庭音響的遙控接收等，都離不開(kāi)光電二極管。大面積的光電二極管可用來(lái)作為能源，即光電池，是一種最有發(fā)展前途的綠色能源。

4.變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)之間電容可變?cè)碇瞥傻奶厥舛O管。它工作在反向偏置狀態(tài)，電容量與反偏電壓的大小有關(guān)。改變變?nèi)荻O管兩端的反偏電壓，就可以改變電容量，即反向電壓增大時(shí)，結(jié)電容減小；反之，結(jié)電容增大。由于它無(wú)機(jī)械磨損且體積小，當(dāng)作可變電容被廣泛應(yīng)用于高頻技術(shù)中，如彩電調(diào)諧器實(shí)現(xiàn)頻道選擇。不同型號(hào)的變?nèi)荻O管，其容量變化的范圍也不一樣，一般從幾皮法至幾百皮法。