1.2 二极管

二极管也称为半导体二极管或晶体二极管，是电子线路中的常用器件之一，它主要应用于整流、稳压、检波、钳位及温度补偿等。在本书中，如无特殊指定，所说二极管均指半导体二极管。

1.2.1 二极管的构造、类型及工作原理

1.二极管的结构

将P型半导体和N型半导体有机地结合在一起就形成了PN结。在PN结的两端加上引线，然后把它封装在管壳里，就做成了一只二极管，如图1.2-1所示。

2.二极管的类型

二极管的种类很多。按构成二极管的半导体材料分，可分为硅管和锗管；按二极管的耗散功率分，可分为大功率管、中功率管和小功率管；按二极管的工作频率分，可分为高频率管和低频率管；按用途来分，可分为检波管、整流管、稳压管、开关管、光电管等，如表1.2-1所示。

表1.2-1 常用二极管的类型、符号外形及用途

按结构来分，二极管主要有点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管，如图1.2-2所示。点接触型二极管是用一根很细的金属触丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及超高频电路中。

3.二极管的工作原理

二极管具有单方向导电性，即二极管外加正向电压（正偏），电路上有电流通过，而二极管外加反向电压（反偏），电路上没有电流通过。如果用水流比喻电流，那么接在电路中的二极管就如同装在水管上能让水单向流动的活门——逆止阀门一样，如图1.2-3所示。当水从水管的A端流向B端时，活门开启，水流畅通；当水从水管的B端流向A端时，活门关闭，水不流通。

【阅读材料】二极管型号的命名方法

二极管型号的命名由五部分构成，其具体含义如表1.2-2所示。一些特殊器件的型号只有第三、四、五部分（如场效应管、复合管、激光器件等）。

表1.2-2 二极管的型号中字母的含义

例如：2CP21——普通N型硅材料二极管；2CZ55——N型硅材料整流二极管。

应注意，一些国际通用元器件的型号命名方式与国产的型号差别很大。更详细的内容可查阅有关电子元器件手册。

1.2.2 二极管的伏安特性

二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系，称为二极管的伏安特性。二极管的伏安特性常用曲线来描述，这种曲线叫做二极管的伏安特性曲线。要得到二极管的伏安特性曲线，可以通过实地测试，用描点法作出；也可以用晶体管特性图示仪直接测出。

1.用描点法作二极管的伏安特性曲线

二极管伏安特性曲线的测试电路如图1.2-4所示，图1.2-4（a）所示为给二极管加正向电压的实验电路，图1.2-4（b）所示为给二极管加反向电压的实验电路。图中，R为限流保护电阻（200Ω），RP为电位器（1.5kΩ）；UCC是直流电源，测正向特性时，UCC=3V；测反向特性时，UCC应略高于被测管的反向击穿电压。

按图1.2-4所示连接电路，逐点改变加在二极管两端的电压，分别测出通过二极管的电流，根据测得的数据，在坐标纸的横坐标上标明各点的电压值，在纵坐标上标明各相应点的电流值，在坐标纸上点出每对电压值、电流值的交点，然后把各交点连成圆滑的曲线，即得到二极管的伏安特性曲线，如图1.2-5所示。下面分别介绍二极管的正、反向特性。

（1）正向特性。

OA段：电流几乎不随电压的增加而增加，电流接近于零，这一段称为不导通区或死区。

AB段：电流随电压近似按平方律增长。特性是一条曲线。

BC段：电压稍有增加，电流几乎是一条直线。

应注意：二极管因其材料不同，死区电压和导通电压值也会不一样。

死区电压：

硅管：0.5V左右

锗管：0.1～0.2V

导通电压：

硅管：0.6～0.7V

锗管：0.2～0.3V

（2）反向特性。

OD段：当电压从0V增大到0.1V时，反向电流稍有增加，随后反向电流便不随电压的增加而增大，而是保持一定数值（反向饱和电流）。

DE段：当反向电压增加到一定数值后，反向电流会突然增大。二极管失去单向导电性（反向击穿）。

2.关于二极管伏安特性曲线的说明

①从二极管的伏安特性曲线可以看出，二极管具有单向导电特性，在一定条件下可视为一个开关。对硅二极管来说，其两端所加电压大于0.7V时，它相当于一个闭合的开关；其两端所加电压小于0.5V时，它相当于一个断开的开关。

②在没有限流保护措施的情况下，给二极管加过高的正向电压或反向电压均会因为二极管通过的电流过大而被损坏，在测量普通二极管的反向伏安特性曲线时应特别予以注意。

③处于正向线性区和反向击穿区的二极管均具有“电压的微小变化会引起电流的很大变化”的特性，这就是二极管的稳压特性。利用二极管的稳压特性，可使二极管在电路中起稳压作用。

④一般二极管的正向伏安特性曲线与反向伏安特性曲线的坐标刻度是不一样的，使用中必须予以注意。

⑤温度的高低对二极管的伏安特性曲线影响很大，这是由于半导体的热敏性造成的。当二极管的温度升高时，它的正向伏安特性曲线将向左移动，反向伏安特性曲线将向下移动，如图1.2-6所示，所以温度升高将使二极管的单向导电性变差。在实际应用中，必须限制通过二极管的电流或加强二极管的散热，以保证二极管的性能并保护二极管不被损坏。

1.2.3 二极管的参数

二极管的参数是对二极管特性和极限运用条件的定量描述，是正确选择和合理使用二极管的依据。每种二极管都有一系列表示其性能特点的参数，其主要参数有以下几种。

1.直流电阻（静态电阻）

二极管两端所加电压与通过二极管电流之比，称为二极管的直流电阻，用公式表示为

二极管的直流电阻如图1.2-7所示，当二极管工作在线性区时，如果二极管工作在A点，有UA=0.7V，IA=10mA，则二极管的直流电阻RA=70Ω。如果二极管工作在B点，有UB=0.8V，IB=23mA，则二极管的直流电阻RB=34.8Ω。因此，随着二极管工作点的改变，二极管的直流电阻将发生变化。

2.交流电阻（动态电阻）

交流电阻r表示二极管对交流电流的阻碍作用，数值上等于二极管两端所加的交流电压u与通过二极管的交流电流i之比，即

由于二极管是单向导电的，所以这里所指的交流电压和交流电流都是叠加在二极管的直流电压和直流电流上的，即二极管的交流电阻也是随工作点的变化而变化的。通常二极管的交流电阻比直流电阻小，这是因为二极管导通时伏安特性曲线很陡的缘故。

3.最大整流电流IF

最大整流电流是指二极管作为整流管长期工作时所允许通过的最大正向平均电流。在实际应用中，通过二极管的电流不得超过最大整流电流，否则二极管会被烧坏。在大功率场合，二极管必须加装散热片或散热器。

4.最高反向工作电压UR

最高反向工作电压是指二极管正常工作时所能承受的最高反向工作电压。为了保证安全使用，UR一般为反向击穿电压UB的一半左右。使用中，二极管两端的反向电压不得超过最高反向工作电压，否则二极管会被击穿。

5.最高工作频率fM

最高工作频率指二极管工作时所允许的最高工作频率。使用中，工作频率不得超过最高工作频率。fM主要由二极管的PN结电容决定，当信号频率超过fM时，PN结电容的容抗变得很小，使二极管的单向导电性变差。

6.最大反向电流IRM

最大反向电流是指管子未击穿时的反向电流，其值越小，管子的单向导电性越好。

7.反向击穿电压UBR

反向击穿电压是指管子反向击穿时的电压值。

1.2.4 稳压二极管

1.稳压二极管的特性

稳压管的伏安特性曲线如图1.2-8所示，当反向电压达到UZ时，即使电压有一微小的增加，反向电流亦会猛增（反向击穿曲线很陡直）。这时，二极管处于击穿状态，如果把击穿电流限制在一定的范围内，管子就可以长时间在反向击穿状态下稳定工作。

因此，当二极管内的电流大幅度变化时，二极管两端的电压能保持不变。

2.稳压二极管的使用

由于稳压二极管工作在反向击穿区，使用时管子正极必须接电源的负极，管子的负极必须接电源的正极，如图1.2-9所示。若接反，相当于电源短路，电流过大会使稳压管过热烧坏。

稳压管并联使用时，会造成电路中各管子的电流分配不均，使电流分配大的稳压管因过载而损坏，所以稳压管必须串联使用。

【阅读材料】其他二极管的应用

1.发光二极管（LED）

发光二极管是将电信号转换成光信号的发光半导体器件，当管子PN结通过合适的正向电流时，便以光的形式将能量释放出来。它具有工作电压低、耗电少、响应速度快、寿命长、色彩绚丽及轻巧等优点。颜色有红、绿、黄等，形状有圆形和矩形等，如图1.2-10所示。它广泛应用于单个显示电路，如电源指示灯；或做成七段显示器、LED点阵等。

发光二极管的符号如图1.2-11所示。

发光二极管所用的电能很小。一般显示用发光管的工作电流在10mA左右，正向工作电压大于0.5V，一般为2～3V。

使用发光二极管时，若用电压源驱动，则应在电路中串接限流电阻，以防止LED中电流过大而损坏。用交流信号驱动时，为防止LED被反向击穿，可在两端反极性并连整流二极管。

2.七段LED数码管

常用的LED数码管如图1.2-12所示。它是利用发光二极管的制造工艺，由7个条状管芯和一个点状管芯的发光二极管制成。

如图1.2-13所示，七段LED数码管可分为将阳极连接在一起的共阳极型和将阴极连接在一起的共阴极型两种。

3.光敏二极管

光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，与普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接收入射光照，PN结面积尽量做得大一些，电极面积尽量小些。

光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1μA），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

光敏二极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，其外形图如图1.2-14所示。在电路图中文字符号一般为VD，图形符号如图1.2-15所示。

光敏二极管的特点如下：

①应用时反向偏置连接；

②没有光照射时，呈现极高阻值；③有光照射时，电阻减小；

④可作光控开关。

小结

二极管具有单向导电性，即二极管两端加正向电压导通，加反向电压截止。

稳压管工作在反向击穿区，使用时管子正极必须接电源的负极，管子负极必须接电源的正极。

发光二极管工作在正向偏置条件下。

光敏二极管工作在反向偏置状态下，流过管子的电流随照度的增大而增大。

练一练2

1.晶体二极管的伏安特性可简单理解为____导通，____截止的特性。导通后，硅管的管压降约为____，锗管的管压降约为____。

2.晶体二极管主要参数是____与____。

3.晶体二极管按所用的材料可分为____和____两类；按PN结的结构特点可分为____和____两种。型号为2CZ52B的二极管是____型____材料制成的，属于____功能的管子。

4.整流二极管的正向电阻越____，反向电阻越____，表明整流二极管的单向导电性能越好。

5.晶体二极管的直流电阻定义为____，如果工作点改变，直流电阻____。