1.2 二極管

二極管也稱為半導體二極管或晶體二極管，是電子線路中的常用器件之一，它主要應用于整流、穩壓、檢波、鉗位及溫度補償等。在本書中，如無特殊指定，所說二極管均指半導體二極管。

1.2.1 二極管的構造、類型及工作原理

1.二極管的結構

將P型半導體和N型半導體有機地結合在一起就形成了PN結。在PN結的兩端加上引線，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。按構成二極管的半導體材料分，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、穩壓管、開關管、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

按結構來分，二極管主要有點接觸型二極管、面接觸型二極管和平面型二極管，如圖1.2-2所示。點接觸型二極管是用一根很細的金屬觸絲壓在光潔的半導體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起，形成一個“PN結”。由于是點接觸，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，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結”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，而且性能穩定可靠，多用于開關、脈沖及超高頻電路中。

3.二極管的工作原理

二極管具有單方向導電性，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的活門——逆止閥門一樣，如圖1.2-3所示。當水從水管的A端流向B端時，活門開啟，水流暢通；當水從水管的B端流向A端時，活門關閉，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（如場效應管、復合管、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。

應注意，一些國際通用元器件的型號命名方式與國產的型號差別很大。更詳細的內容可查閱有關電子元器件手冊。

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，可以通過實地測試，用描點法作出；也可以用晶體管特性圖示儀直接測出。

1.用描點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驗電路，圖1.2-4（b）所示為給二極管加反向電壓的實驗電路。圖中，R為限流保護電阻（200Ω），RP為電位器（1.5kΩ）；UCC是直流電源，測正向特性時，UCC=3V；測反向特性時，UCC應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，根據測得的數據，在坐標紙的橫坐標上標明各點的電壓值，在縱坐標上標明各相應點的電流值，在坐標紙上點出每對電壓值、電流值的交點，然后把各交點連成圓滑的曲線，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，這一段稱為不導通區或死區。

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。

應注意：二極管因其材料不同，死區電壓和導通電壓值也會不一樣。

死區電壓：

硅管：0.5V左右

鍺管：0.1～0.2V

導通電壓：

硅管：0.6～0.7V

鍺管：0.2～0.3V

（2）反向特性。

OD段：當電壓從0V增大到0.1V時，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，而是保持一定數值（反向飽和電流）。

DE段：當反向電壓增加到一定數值后，反向電流會突然增大。二極管失去單向導電性（反向擊穿）。

2.關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，二極管具有單向導電特性，在一定條件下可視為一個開關。對硅二極管來說，其兩端所加電壓大于0.7V時，它相當于一個閉合的開關；其兩端所加電壓小于0.5V時，它相當于一個斷開的開關。

②在沒有限流保護措施的情況下，給二極管加過高的正向電壓或反向電壓均會因為二極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應特別予以注意。

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

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，這是由于半導體的熱敏性造成的。當二極管的溫度升高時，它的正向伏安特性曲線將向左移動，反向伏安特性曲線將向下移動，如圖1.2-6所示，所以溫度升高將使二極管的單向導電性變差。在實際應用中，必須限制通過二極管的電流或加強二極管的散熱，以保證二極管的性能并保護二極管不被損壞。

1.2.3 二極管的參數

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

1.直流電阻（靜態電阻）

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，當二極管工作在線性區時，如果二極管工作在A點，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，有UB=0.8V，IB=23mA，則二極管的直流電阻RB=34.8Ω。因此，隨著二極管工作點的改變，二極管的直流電阻將發生變化。

2.交流電阻（動態電阻）

交流電阻r表示二極管對交流電流的阻礙作用，數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

由于二極管是單向導電的，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，這是因為二極管導通時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所允許通過的最大正向平均電流。在實際應用中，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結電容決定，當信號頻率超過fM時，PN結電容的容抗變得很小，使二極管的單向導電性變差。

6.最大反向電流IRM

最大反向電流是指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，管子的單向導電性越好。

7.反向擊穿電壓UBR

反向擊穿電壓是指管子反向擊穿時的電壓值。

1.2.4 穩壓二極管

1.穩壓二極管的特性

穩壓管的伏安特性曲線如圖1.2-8所示，當反向電壓達到UZ時，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，二極管處于擊穿狀態，如果把擊穿電流限制在一定的范圍內，管子就可以長時間在反向擊穿狀態下穩定工作。

因此，當二極管內的電流大幅度變化時，二極管兩端的電壓能保持不變。

2.穩壓二極管的使用

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

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

【閱讀材料】其他二極管的應用

1.發光二極管（LED）

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

發光二極管的符號如圖1.2-11所示。

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

使用發光二極管時，若用電壓源驅動，則應在電路中串接限流電阻，以防止LED中電流過大而損壞。用交流信號驅動時，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數碼管

常用的LED數碼管如圖1.2-12所示。它是利用發光二極管的制造工藝，由7個條狀管芯和一個點狀管芯的發光二極管制成。

如圖1.2-13所示，七段LED數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體器件。它的核心部分也是一個PN結，與普通二極管相比，在結構上不同的是，為了便于接收入射光照，PN結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，反向電流很小（一般小于0.1μA），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子—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動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大，這種特性稱為“光電導”。光敏二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。

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PN結，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現光電轉換，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。

光敏二極管的特點如下：

①應用時反向偏置連接；

②沒有光照射時，呈現極高阻值；③有光照射時，電阻減小；

④可作光控開關。

小結

二極管具有單向導電性，即二極管兩端加正向電壓導通，加反向電壓截止。

穩壓管工作在反向擊穿區，使用時管子正極必須接電源的負極，管子負極必須接電源的正極。

發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____導通，____截止的特性。導通后，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是____與____。

3.晶體二極管按所用的材料可分為____和____兩類；按PN結的結構特點可分為____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導電性能越好。

5.晶體二極管的直流電阻定義為____，如果工作點改變，直流電阻____。