1.2 二極管

二極管也稱為半導(dǎo)體二極管或晶體二極管，是電子線路中的常用器件之一，它主要應(yīng)用于整流、穩(wěn)壓、檢波、鉗位及溫度補(bǔ)償?shù)取Ｔ诒緯校鐭o特殊指定，所說二極管均指半導(dǎo)體二極管。

1.2.1 二極管的構(gòu)造、類型及工作原理

1.二極管的結(jié)構(gòu)

將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機(jī)地結(jié)合在一起就形成了PN結(jié)。在PN結(jié)的兩端加上引線，然后把它封裝在管殼里，就做成了一只二極管，如圖1.2-1所示。

2.二極管的類型

二極管的種類很多。按構(gòu)成二極管的半導(dǎo)體材料分，可分為硅管和鍺管；按二極管的耗散功率分，可分為大功率管、中功率管和小功率管；按二極管的工作頻率分，可分為高頻率管和低頻率管；按用途來分，可分為檢波管、整流管、穩(wěn)壓管、開關(guān)管、光電管等，如表1.2-1所示。

表1.2-1 常用二極管的類型、符號外形及用途

按結(jié)構(gòu)來分，二極管主要有點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管和平面型二極管，如圖1.2-2所示。點(diǎn)接觸型二極管是用一根很細(xì)的金屬觸絲壓在光潔的半導(dǎo)體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地?zé)Y(jié)在一起，形成一個(gè)“PN結(jié)”。由于是點(diǎn)接觸，只允許通過較小的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機(jī)的檢波等。面接觸型二極管的“PN結(jié)”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關(guān)、脈沖及超高頻電路中。

3.二極管的工作原理

二極管具有單方向?qū)щ娦?，即二極管外加正向電壓（正偏），電路上有電流通過，而二極管外加反向電壓（反偏），電路上沒有電流通過。如果用水流比喻電流，那么接在電路中的二極管就如同裝在水管上能讓水單向流動(dòng)的活門——逆止閥門一樣，如圖1.2-3所示。當(dāng)水從水管的A端流向B端時(shí)，活門開啟，水流暢通；當(dāng)水從水管的B端流向A端時(shí)，活門關(guān)閉，水不流通。

【閱讀材料】二極管型號的命名方法

二極管型號的命名由五部分構(gòu)成，其具體含義如表1.2-2所示。一些特殊器件的型號只有第三、四、五部分（如場效應(yīng)管、復(fù)合管、激光器件等）。

表1.2-2 二極管的型號中字母的含義

例如：2CP21——普通N型硅材料二極管；2CZ55——N型硅材料整流二極管。

應(yīng)注意，一些國際通用元器件的型號命名方式與國產(chǎn)的型號差別很大。更詳細(xì)的內(nèi)容可查閱有關(guān)電子元器件手冊。

1.2.2 二極管的伏安特性

二極管兩端的電壓與流過二極管的電流之間的關(guān)系，稱為二極管的伏安特性。二極管的伏安特性常用曲線來描述，這種曲線叫做二極管的伏安特性曲線。要得到二極管的伏安特性曲線，可以通過實(shí)地測試，用描點(diǎn)法作出；也可以用晶體管特性圖示儀直接測出。

1.用描點(diǎn)法作二極管的伏安特性曲線

二極管伏安特性曲線的測試電路如圖1.2-4所示，圖1.2-4（a）所示為給二極管加正向電壓的實(shí)驗(yàn)電路，圖1.2-4（b）所示為給二極管加反向電壓的實(shí)驗(yàn)電路。圖中，R為限流保護(hù)電阻（200Ω），RP為電位器（1.5kΩ）；UCC是直流電源，測正向特性時(shí)，UCC=3V；測反向特性時(shí)，UCC應(yīng)略高于被測管的反向擊穿電壓。

按圖1.2-4所示連接電路，逐點(diǎn)改變加在二極管兩端的電壓，分別測出通過二極管的電流，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙的橫坐標(biāo)上標(biāo)明各點(diǎn)的電壓值，在縱坐標(biāo)上標(biāo)明各相應(yīng)點(diǎn)的電流值，在坐標(biāo)紙上點(diǎn)出每對電壓值、電流值的交點(diǎn)，然后把各交點(diǎn)連成圓滑的曲線，即得到二極管的伏安特性曲線，如圖1.2-5所示。下面分別介紹二極管的正、反向特性。

（1）正向特性。

OA段：電流幾乎不隨電壓的增加而增加，電流接近于零，這一段稱為不導(dǎo)通區(qū)或死區(qū)。

AB段：電流隨電壓近似按平方律增長。特性是一條曲線。

BC段：電壓稍有增加，電流幾乎是一條直線。

應(yīng)注意：二極管因其材料不同，死區(qū)電壓和導(dǎo)通電壓值也會不一樣。

死區(qū)電壓：

硅管：0.5V左右

鍺管：0.1～0.2V

導(dǎo)通電壓：

硅管：0.6～0.7V

鍺管：0.2～0.3V

（2）反向特性。

OD段：當(dāng)電壓從0V增大到0.1V時(shí)，反向電流稍有增加，隨后反向電流便不隨電壓的增加而增大，而是保持一定數(shù)值（反向飽和電流）。

DE段：當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值后，反向電流會突然增大。二極管失去單向?qū)щ娦裕ǚ聪驌舸?/p>

2.關(guān)于二極管伏安特性曲線的說明

①從二極管的伏安特性曲線可以看出，二極管具有單向?qū)щ娞匦?，在一定條件下可視為一個(gè)開關(guān)。對硅二極管來說，其兩端所加電壓大于0.7V時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)；其兩端所加電壓小于0.5V時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。

②在沒有限流保護(hù)措施的情況下，給二極管加過高的正向電壓或反向電壓均會因?yàn)槎O管通過的電流過大而被損壞，在測量普通二極管的反向伏安特性曲線時(shí)應(yīng)特別予以注意。

③處于正向線性區(qū)和反向擊穿區(qū)的二極管均具有“電壓的微小變化會引起電流的很大變化”的特性，這就是二極管的穩(wěn)壓特性。利用二極管的穩(wěn)壓特性，可使二極管在電路中起穩(wěn)壓作用。

④一般二極管的正向伏安特性曲線與反向伏安特性曲線的坐標(biāo)刻度是不一樣的，使用中必須予以注意。

⑤溫度的高低對二極管的伏安特性曲線影響很大，這是由于半導(dǎo)體的熱敏性造成的。當(dāng)二極管的溫度升高時(shí)，它的正向伏安特性曲線將向左移動(dòng)，反向伏安特性曲線將向下移動(dòng)，如圖1.2-6所示，所以溫度升高將使二極管的單向?qū)щ娦宰儾?。在?shí)際應(yīng)用中，必須限制通過二極管的電流或加強(qiáng)二極管的散熱，以保證二極管的性能并保護(hù)二極管不被損壞。

1.2.3 二極管的參數(shù)

二極管的參數(shù)是對二極管特性和極限運(yùn)用條件的定量描述，是正確選擇和合理使用二極管的依據(jù)。每種二極管都有一系列表示其性能特點(diǎn)的參數(shù)，其主要參數(shù)有以下幾種。

1.直流電阻（靜態(tài)電阻）

二極管兩端所加電壓與通過二極管電流之比，稱為二極管的直流電阻，用公式表示為

二極管的直流電阻如圖1.2-7所示，當(dāng)二極管工作在線性區(qū)時(shí)，如果二極管工作在A點(diǎn)，有UA=0.7V，IA=10mA，則二極管的直流電阻RA=70Ω。如果二極管工作在B點(diǎn)，有UB=0.8V，IB=23mA，則二極管的直流電阻RB=34.8Ω。因此，隨著二極管工作點(diǎn)的改變，二極管的直流電阻將發(fā)生變化。

2.交流電阻（動(dòng)態(tài)電阻）

交流電阻r表示二極管對交流電流的阻礙作用，數(shù)值上等于二極管兩端所加的交流電壓u與通過二極管的交流電流i之比，即

由于二極管是單向?qū)щ姷?，所以這里所指的交流電壓和交流電流都是疊加在二極管的直流電壓和直流電流上的，即二極管的交流電阻也是隨工作點(diǎn)的變化而變化的。通常二極管的交流電阻比直流電阻小，這是因?yàn)槎O管導(dǎo)通時(shí)伏安特性曲線很陡的緣故。

3.最大整流電流IF

最大整流電流是指二極管作為整流管長期工作時(shí)所允許通過的最大正向平均電流。在實(shí)際應(yīng)用中，通過二極管的電流不得超過最大整流電流，否則二極管會被燒壞。在大功率場合，二極管必須加裝散熱片或散熱器。

4.最高反向工作電壓UR

最高反向工作電壓是指二極管正常工作時(shí)所能承受的最高反向工作電壓。為了保證安全使用，UR一般為反向擊穿電壓UB的一半左右。使用中，二極管兩端的反向電壓不得超過最高反向工作電壓，否則二極管會被擊穿。

5.最高工作頻率fM

最高工作頻率指二極管工作時(shí)所允許的最高工作頻率。使用中，工作頻率不得超過最高工作頻率。fM主要由二極管的PN結(jié)電容決定，當(dāng)信號頻率超過fM時(shí)，PN結(jié)電容的容抗變得很小，使二極管的單向?qū)щ娦宰儾睢?/p>

6.最大反向電流IRM

最大反向電流是指管子未擊穿時(shí)的反向電流，其值越小，管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?/p>

7.反向擊穿電壓UBR

反向擊穿電壓是指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。

1.2.4 穩(wěn)壓二極管

1.穩(wěn)壓二極管的特性

穩(wěn)壓管的伏安特性曲線如圖1.2-8所示，當(dāng)反向電壓達(dá)到UZ時(shí)，即使電壓有一微小的增加，反向電流亦會猛增（反向擊穿曲線很陡直）。這時(shí)，二極管處于擊穿狀態(tài)，如果把擊穿電流限制在一定的范圍內(nèi)，管子就可以長時(shí)間在反向擊穿狀態(tài)下穩(wěn)定工作。

因此，當(dāng)二極管內(nèi)的電流大幅度變化時(shí)，二極管兩端的電壓能保持不變。

2.穩(wěn)壓二極管的使用

由于穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，使用時(shí)管子正極必須接電源的負(fù)極，管子的負(fù)極必須接電源的正極，如圖1.2-9所示。若接反，相當(dāng)于電源短路，電流過大會使穩(wěn)壓管過熱燒壞。

穩(wěn)壓管并聯(lián)使用時(shí)，會造成電路中各管子的電流分配不均，使電流分配大的穩(wěn)壓管因過載而損壞，所以穩(wěn)壓管必須串聯(lián)使用。

【閱讀材料】其他二極管的應(yīng)用

1.發(fā)光二極管（LED）

發(fā)光二極管是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號的發(fā)光半導(dǎo)體器件，當(dāng)管子PN結(jié)通過合適的正向電流時(shí)，便以光的形式將能量釋放出來。它具有工作電壓低、耗電少、響應(yīng)速度快、壽命長、色彩絢麗及輕巧等優(yōu)點(diǎn)。顏色有紅、綠、黃等，形狀有圓形和矩形等，如圖1.2-10所示。它廣泛應(yīng)用于單個(gè)顯示電路，如電源指示燈；或做成七段顯示器、LED點(diǎn)陣等。

發(fā)光二極管的符號如圖1.2-11所示。

發(fā)光二極管所用的電能很小。一般顯示用發(fā)光管的工作電流在10mA左右，正向工作電壓大于0.5V，一般為2～3V。

使用發(fā)光二極管時(shí)，若用電壓源驅(qū)動(dòng)，則應(yīng)在電路中串接限流電阻，以防止LED中電流過大而損壞。用交流信號驅(qū)動(dòng)時(shí)，為防止LED被反向擊穿，可在兩端反極性并連整流二極管。

2.七段LED數(shù)碼管

常用的LED數(shù)碼管如圖1.2-12所示。它是利用發(fā)光二極管的制造工藝，由7個(gè)條狀管芯和一個(gè)點(diǎn)狀管芯的發(fā)光二極管制成。

如圖1.2-13所示，七段LED數(shù)碼管可分為將陽極連接在一起的共陽極型和將陰極連接在一起的共陰極型兩種。

3.光敏二極管

光敏二極管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。它的核心部分也是一個(gè)PN結(jié)，與普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接收入射光照，PN結(jié)面積盡量做得大一些，電極面積盡量小些。

光敏二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時(shí)，反向電流很小（一般小于0.1μA），稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子—空穴對，稱為光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移運(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大，這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光敏二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號，而且這個(gè)電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。

光敏二極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和普通二極管一樣具有一個(gè)PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，其外形圖如圖1.2-14所示。在電路圖中文字符號一般為VD，圖形符號如圖1.2-15所示。

光敏二極管的特點(diǎn)如下：

①應(yīng)用時(shí)反向偏置連接；

②沒有光照射時(shí)，呈現(xiàn)極高阻值；③有光照射時(shí)，電阻減??；

④可作光控開關(guān)。

小結(jié)

二極管具有單向?qū)щ娦?，即二極管兩端加正向電壓導(dǎo)通，加反向電壓截止。

穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，使用時(shí)管子正極必須接電源的負(fù)極，管子負(fù)極必須接電源的正極。

發(fā)光二極管工作在正向偏置條件下。

光敏二極管工作在反向偏置狀態(tài)下，流過管子的電流隨照度的增大而增大。

練一練2

1.晶體二極管的伏安特性可簡單理解為____導(dǎo)通，____截止的特性。導(dǎo)通后，硅管的管壓降約為____，鍺管的管壓降約為____。

2.晶體二極管主要參數(shù)是____與____。

3.晶體二極管按所用的材料可分為____和____兩類；按PN結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為____和____兩種。型號為2CZ52B的二極管是____型____材料制成的，屬于____功能的管子。

4.整流二極管的正向電阻越____，反向電阻越____，表明整流二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶谩?/p>

5.晶體二極管的直流電阻定義為____，如果工作點(diǎn)改變，直流電阻____。