1.1 半导体二极管

知识点：

① 二极管的基本特性、主要参数以及基本应用。

② 稳压二极管、发光二极管和光电二极管的特性。

技能点：

① 会测试及选用二极管、稳压管。

② 会测试及判断发光二极管、光电二极管。

1.1.1 半导体二极管简介

1. 半导体二极管的结构、符号、外形和类型

半导体二极管简称二极管，其核心是一个PN结，由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。二极管的结构、符号如图1-1所示。普通二极管按所用管芯材料可分为硅二极管和锗二极管；按内部结构可分为点接触型二极管和面接触型二极管，点接触型频率特性好，适用于高频工作，面接触型能通过较大的电流，适用于整流电路；按封装形式有玻璃封装、塑料封装及金属封装等类型。

常见的二极管外形如图1-2所示。除了在外壳上用二极管的符号来标识正、负电极外，有的二极管用色环（或色点）来标识二极管的负极，通常大功率螺栓式二极管带螺纹的一端是负极。

2. 二极管导电特性的仿真电路

按图1-3所示的仿真电路连接直流电源、二极管、指示灯和负载（灯泡），接上测试仪表观测二极管两端的电压及回路电流。在图1-3（a）中，电源V1的正极连接到二极管VD1的正极，使二极管的正极电位高于负极电位（称为正向偏置），指示灯L1亮，此时电路中通过较大的正向电流IF =0.776A（如图中的仪表所显示，下同），二极管VD1两端有一个很小的正向压降UVD1（on）≈0.83V，二极管这种状态称为导通（相当于一个闭合的开关）；在图1-3（b）中，将二极管的极性对调，电源的正极连接到二极管VD2的负极，使二极管的负极电位高于正极电位（称为反向偏置），此时指示灯L2灭，电路中流过极小的反向电流IR=1.2μA（一般可忽略），二极管VD2承受的反偏电压UVD2（off）等于电源电压，二极管这种状态称为截止（相当于一个断开的开关）。

注意：由于仿真软件的原因，本书列举软件默认的元件标识及据此创建的仿真电路图，有些与国标的电路图无法一致，比如下标、正斜体等。

可见，二极管的基本特性是单向导电：正向偏置导通，反向偏置截止。二极管符号的箭头代表了正向电流的方向，外加电压的方向与箭头方向一致时二极管导通，反之则截止。

1.1.2 二极管的特性和主要参数

1. 二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。典型的二极管伏安特性曲线如图1-4所示。

（1）正向特性

二极管的正偏电压较小时，其正向电流极小（近似为0），这一区域称为死区，相应的A（A＇）点的电压被称为死区电压（或称为阈值电压）。死区电压与环境温度有关，常温下硅管的死区电压约为0.5V，锗管的约为0.1V。

当正向电压超过死区电压后，二极管进入导通状态，正向电流迅速增大，在电流增长很大的范围内，二极管两端的电压的变化很小，正向导通电压近似为一个稳定值，如图中AB（A＇B＇）段。在工程估算中，通常取硅管的正向导通电压为0.7V，锗管的为0.3V。

（2）反向特性

二极管反偏时，在一个很宽的电压范围内，存在一个微弱的反向电流，其基本不随反向电压的增大而变化，这个电流称为反向饱和电流IR，如图1-4中OC（OC＇）段。反向电流（又称漏电流）越小表明二极管的单向导电性越好。二极管的反向特性与材料有关，如图1-4所示，硅管的反向特性明显优于锗管。

反向电压增大到某一值时，反向电流突然增大，这种现象称为反向击穿，此时对应的电压称为反向击穿电压，用UBR表示，如图1-4中CD（C＇D＇）段。此时，二极管失去了单向导电性，如果没有适当的限流措施，二极管将会过流损坏。普通二极管不允许工作在反向击穿状态。

可见，二极管正偏导通，具有非线性特征；反偏截止，通过的反向电流极小，可以忽略。

2. 二极管的主要参数

最大整流电流IFM：是指二极管长时间使用时，允许通过的最大正向平均电流。正常使用时正向电流必须小于此值。

最高反向工作电压URM：是指允许加在二极管两端的最高反向电压（峰值）。一般元器件手册上给出的URM为击穿电压UBR的一半。

反向饱和电流IR：是指二极管未被击穿时的反向电流。IR会随温度升高而增大，使用二极管时要注意温度的影响。

1.1.3 二极管的测试及应用

1. 二极管的测试

（1）用指针型万用表测试二极管

将万用表置于R × 100或R × 1k挡，注意指针型万用表的红表笔要连接到万用表内置电池的负极，黑表笔连接到电池的正极。用红、黑表笔分别对调测试二极管两次，合格的管子两次测量的阻值应当相差极大。所测得的大阻值称为反向电阻（二极管截止），反之则称为正向电阻（二极管导通）。如果反向电阻越大以及正向电阻越小，管子的质量就越好。测量正向电阻时，与黑表笔相连的电极为二极管的正极，另一电极则为二极管的负极，如图1-5所示。一般来说，在相同的电阻挡下测试不同二极管的正向电阻时，阻值较大的为硅管、较小（通常指针指示在3大格以下）且不为0的为锗管。

若两次测得的阻值均很小或为0，表明管子内部已经短路；若两次测得的阻值都极大，则表明管子内部已经断路或烧坏；若测得的反向电阻与正向电阻相差不大，则说明管子的反向漏电过大，失去了单向导电性。这三种管子都不能再使用了。

锗二极管的反向电流（相对硅管）较大，通常将万用表置于R × 10挡进行测试，判别方法如上所述。

（2）用数字型万用表测试二极管

数字型万用表的测试笔中，红表笔连接万用表内置电池的正极，黑表笔连接内置电池的负极，与指针型万用表的表笔所连接的内置电池极性正好相反。

测试中，显示屏上显示的是二极管导通或截止时的电压值，以伏（V）或毫伏（mV）为单位。二极管导通时，所测出的是较小的正向导通电压：若显示的为0.500～0.700 V（或600 mV左右），则被测管为硅管；若显示的为0.150～0.300 V（或200 mV左右），则被测管为锗管。此时红表笔所连接的为二极管的正极，另一电极则为负极。二极管截止时，反偏截止压降为“无穷大”，显示屏显示为“1.”或“OL”。

若测试中显示为“0000”，说明管子内部短路；若两次测试均显示为“1.”或“OL”，表明管子内部已经断路或烧坏。

2. 二极管的应用

利用二极管的单向导电性，可以在电子电路中组成整流、检波、限幅、倍压等多种应用电路。

（1）半波整流电路

将低频的交流电变换为直流电的电路称为整流电路。最简单的二极管半波整流电路的仿真电路如图1-6（a）所示。设，在VS的正半周，二极管VD正偏导通，忽略二极管的正向压降，在R1上得到的正向电压uo≈u2；在VS的负半周，二极管VD反偏截止，电路中无电流通过，输出电压uo=0。二极管承受的反偏电压等于u2，其最大值为输入交流电压u2的峰值。电路的输入、输出波形如示波器屏幕所示（见图1-6（b））。在输入交流电压的每个周期内，只有半个周期有输出，该电路称为半波整流电路，所输出的电压称为脉动直流电压。整流电路是直流稳压电源的重要部分。

整流电路输出的直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。忽略二极管导通时的正向压降，半波整流电路输出的直流电压可以估算为

式中的U2为输入的交流电压u2的有效值。即输出电压是输入的交流电压有效值的0.45倍。

图1-6中的仿真电路中，输出的电压值是实际的测试结果，其包含了二极管的正向压降。显然，在输入的交流电压较低时，按式（1-1）估算产生的误差不可忽略。

整流二极管一般选用面接触型的硅二极管，它具有工作电流大、反向击穿电压高、允许的工作温度较高等特点。常用的整流二极管的型号有2 CZ、2 DZ、1 N4001、1 N5401等型号。

（2）检波电路

将调制在高频信号中的低频信号提取出来的电路称为检波电路。典型的二极管检波电路如图1-7（a）所示。所输入的调幅波VS 是将100Hz的低频正弦信号调制在1kHz的高频波上。由于检波二极管VD的单向导电性，所输出的信号波形uo只有正半周的调幅波，如示波器屏幕所示（见图1-7（b））。只要利用高频滤波器将输出信号uo中的高频信号滤除，所“检出”的低频信号即可耦合到下一级低频放大电路进行再放大。

检波一般是对高频小信号而言的，其特点是工作频率高，所处理的信号幅度小，要求检波二极管的频率特性好、正向压降小、效率高，通常采用点接触型的锗二极管。常用的有2 AP系列、1 N60等型号。检波电路广泛应用于音频、视频、图像处理电路以及各种通信设备中。

（3）限幅电路

在电子电路中，利用限幅电路对各种信号进行处理，将输出信号的幅度限制在一定范围内，可以有选择地传输一部分，或对电路中的某些器件实现过压保护。一个双向限幅电路的仿真电路如图1-8（a）所示，其中的输入信号VS为正弦交流电压。

从图1-8（b）的示波器显示的输出信号（通道B）的数据可看出：在VS 的正半周，当VS的瞬时值大于（V1 +UVD1（on））时，VD1导通（VD2截止），输出电压被限定在uo =V1 +UVD1（on）≈8.55V；在VS的负半周，当VS 的瞬时值小于（V2 +UVD2（on））时，VD2导通（VD1截止），输出电压被限定在uo = -（V2 +UVD2（on））≈-4.56V；其余电压范围内，VD1、VD2均截止，输出电压uo随输入电压VS变化。如示波器屏幕所示，电路输出双向限幅的电压波形。

1.1.4 特殊半导体二极管

半导体二极管的种类繁多，从功能来看，除上述的普通二极管外，还有专供特殊用途的二极管，下面介绍其中的稳压二极管、发光二极管、光电二极管。

1. 稳压二极管

稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管或齐纳管，是一种用于稳压（限压）、工作在反向击穿状态的硅二极管，其用特殊工艺制作，外形与普通二极管相似。稳压管的符号、典型应用电路和伏安特性曲线如图1-9所示。

从特性曲线可看出，稳压管的正向特性相当于一个正偏的硅二极管，而反向特性曲线在击穿区域比普通二极管更陡直，当反向电流在很大范围内变化时，稳压管两端的电压几乎稳定不变，稳压管工作在反向击穿状态，因而能在电路中起到稳压作用。稳压管的反向击穿是可逆的，只要反向电流不超过其允许的最大稳定电流，就可以长期工作而不致损坏。在应用电路中，除了保证稳压管要处于反向击穿状态，还必须串联适当的限流电阻，如图1-9（a）中的R。

稳压二极管的主要参数有稳定电压UZ、稳定电流IZ和最大稳定电流IZmax等。稳压管工作时通过的电流不允许超过其最大稳定电流IZmax。

稳压管的检测和普通二极管相同，不同的是稳压管的正向电阻一般都明显大于功率相当的普通二极管。

2. 发光二极管

发光二极管（LED）简称发光管，是一种直接把电能转换成光能的发光器件，正向导通时能发出一定波长（颜色）的光，广泛应用于各种显示、指示电路。其核心是一个由半导体化合物（如磷化镓、砷化镓等）制成的PN结，正向导通电压在1.5～3.0 V之间，工作电流约为5～20 mA。发光二极管使用时必须正向偏置，同时要串接适当的限流电阻，防止工作电流过大损坏管子。普通发光二极管的外形及符号如图1-10所示。

检测发光二极管时，要求万用表的内置电池为3V以上，一般选择R × 10k挡，合格管子的正向电阻在20kΩ左右，反向电阻无穷大。灵敏度高的管子，在测正向电阻时可看到管芯发光。

3. 光电二极管

光电二极管也称光敏二极管，是一种常用的光电转换器件，广泛应用在遥控、测光及光电池等方面。光电二极管也由PN结构成，工作在反向偏置状态，它的管壳上有一个透镜封闭的窗口，入射光通过透镜照射在PN结上，反向电流随光照强度的增加而增大，实现将光信号转换为电信号的功能。光电二极管的结构及符号如图1-11所示。

检测光电二极管时，首先封闭光电二极管的窗口（遮光），用测试普通二极管的方法判断管子的正、负极，其正向电阻略大于普通二极管，反向电阻（暗电阻）无穷大；当受到光照时，反向电阻随光强增大而显著变小，而正向电阻与光照基本无关。若正、反向电阻都很小或都很大，则表明管子已经击穿或内部断路。