1.3 特殊二极管

除普通二极管外，利用PN结特性还可以制作不同功能的二极管。这些二极管具有某项特殊的性质，适用于特殊的场合，例如稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。

1.3.1 稳压二极管

1.稳压二极管的电路符号和伏安特性

稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管，其电路符号和伏安特性曲线如图1-16所示。

由图可见，稳压管的正向特性与普通管类似，但反向击穿特性十分陡峭。当反向电压超过某一特定值U_Z时，反向电流急剧增大而两端的端电压几乎不变，此时稳压管工作在反向击穿区。稳压管工作在反向击穿区时具有良好的稳压作用，可以将端电压稳定在U_Z上，U_Z称为稳定电压。

稳压管击穿后，为确保其能够正常工作，反向击穿电流I_Z必须满足

I _Zmin<I_Z<I_Zmax

式中，I_Zmin称为稳定电流；I_Zmax称为最大稳定电流。如果I_Z<I_Zmin，稳压管将不能正常稳压；如果I_Z>I_Zmax，稳压管则可能因电流过大而损坏。

2.稳压二极管的工作原理

稳压管之所以具有上述稳压特性，是因为其P区和N区的杂质掺杂浓度很高，因而空间电荷区的正、负离子密度很大，PN结很窄，所以只要在外部施加不大的反向电压就可以形成很强的电场，直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，于是反向电流急剧增大，即PN结击穿，这种击穿称为齐纳击穿。

齐纳击穿是可逆的，前提是保证反向击穿发生后，反向电流和反向电压的乘积不超过PN结所允许的耗散功率。

3.稳压二极管的主要参数

（1）稳定电压U_Z

U _Z是稳压管反向击穿后的稳定电压值。由于制造工艺的分散性，同一型号的稳压管的稳定电压可允许有一定的变化范围。

（2）稳定电流I_Z

I _Z是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。当反向击穿电流低于此值时，稳压效果变差，故又记作I_Zmin。

（3）额定功耗P_ZM

P _ZM是稳压管不会因为过热而损坏时的最大功率，为允许的最大稳定电流I_Zmax与稳定电压U_Z两者的乘积，即

P _ZM=I_Zmax·U_Z

可通过P_ZM求得I_Zmax，当反向击穿电流超过此值时，稳压管会因过热而损坏。

（4）动态电阻r_Z

r _Z是稳压管工作于反向击穿区时，端电压变化量ΔU_Z与电流变化量ΔI_Z之间的比值，即

r_Z越小，说明稳压管的反向击穿特性越陡，稳压性能越好。r_Z的值一般在几欧姆到几十欧姆之间，稳定电压U_Z在7V左右的稳压管动态电阻最小。

（5）温度系数α

α是环境温度每变化1℃时，稳定电压U_Z的相对变化量，即α=ΔU_Z/ΔT。一般来说，U_Z小于4V的稳压管，温度系数α为负值；U_Z大于7V的稳压管，温度系数α为正值；U_Z介于4V至7V之间的稳压管温度系数较小，U_Z受温度影响小，稳压管性能稳定。

4.稳压二极管的基本应用

稳压管稳压电路由稳压管VZ和限流电阻R组成，负载R_L并联在稳压管两端，输出电压U_o等于稳压管的稳定电压U_Z，如图1-17所示。

可知

稳压电路稳压的过程如下：当R_L一定时，若U_i增大，则U_Z和U_o增大。稳压管U_Z只要少许增大，电流I_Z就会急剧增大，会使电流I_R也显著增加，那么R上电压降RI_R的增量会大于U_i的增量，从而使U_o减小，达到稳定U_o的目的；当U_i一定时，若R_L减小，I_o增大，会使I_R也增大，R上电压降增大，那么U_Z减小，I_Z会急剧减小，I_Z的减小量大于I_o的增大量，使得I_R几乎不变，达到稳定U_o的目的。

可见，限流电阻R是稳压管稳压电路必不可少的组成部分，当电网电压波动或者负载电流变化时，可通过调节R上的电压降，达到稳定输出电压的目的。上式可整理成

要使稳压管正常工作，可得R的取值范围为

例1-6 已知图1-17所示电路中，经整流滤波后的电压U_i为25V，稳压二极管VZ的U_Z=10V，I_Zmin=10mA，I_Zmax=60mA。试问：

（1）输出电压U_o为多少伏？

（2）如果要求最大负载电流I_o为10mA，那么R应如何选取？

解：（1）根据题意，电路输出电压

U _o=U_Z=10V

（2）稳压管的反向击穿电流

当I_o=0（负载开路）时，I_Z最大，为保证稳压管正常工作，I_Z<I_Zmax=60mA，即R>250Ω。当I_o=10mA时，负载电流I_o最大，I_Z最小，为保证稳压管正常工作，I_Z>I_Zmin=10mA，即R<750Ω，因此250Ω<R<750Ω。

例1-7 图1-17所示电路中，稳压管VZ的稳定电压值U_Z=8V，最小稳定电流I_Zmin=5mA，最大稳定电流I_Zmax=20mA。试分别计算U_i为10V和30V时输出电压U_o的值。

解：稳压管电路的分析，跟二极管电路的分析方法类似。首先断开稳压管，看稳压管的两端电压，若该电压能使稳压管正偏，则稳压管导通；若二极管反偏，反偏电压小于稳压值时稳压管反向截止，否则稳压管反向击穿。判断稳压管击穿稳压时，反向击穿电流I_Z必须满足要求。

如图1-17中，U_i为正电压，稳压管VZ反接，因此稳压管反偏。

U _i=10V时，断开稳压管，稳压管两端电压=5V<U_Z，稳压管反向截止，U_o=5V。

U _i=30V时，断开稳压管，稳压管两端电压为15V大于U_Z，稳压管反向击穿，U_o=8V，稳压管击穿电流I_Z=［（30-8）/1-8/1］mA=14mA，I_Z介于I_Zmin和I_Zmax之间，稳压管能安全可靠工作，U_o=8V。

例1-8 电路如图1-18所示，VD为理想二极管，VZ为理想稳压管，稳定电压为5V。试分析：

（1）开关S闭合时，I₂、U_o的数值分别为多少？

（2）开关S断开时，I₂、U_o的数值分别为多少？

思路引导：无论开关S导通还是闭合，都必须首先判断VD、VZ的工作状态，在此基础上，才能准确求解I₂和U_o的数值。

解：（1）开关S闭合时，假设VD、VZ均截止，则VD的阳极电位为9V，阴极电位为20V，故VD反偏，截止；VZ的阴极电位为15V，阳极电位为5V，故VZ反向击穿。由此可知，U_o=5V+5V=10V，I₂=（20-10）V/5kΩ=2mA。

（2）开关S断开时，假设VD、VZ均截止，由于VD、VZ的阴极电位相同，那么阳极电位更高的VD优先导通，故I₂=9V/（10+5+15）kΩ=0.3mA，U_o=15kΩ×0.3mA=4.5V，即VZ阴极电位为4.5V，阳极电位为5V，故VZ也导通。由此，可求得U_o和I₂的实际数值为U_o=5V，I₂=（9-5）V/15kΩ≈0.27mA。

1.3.2 变容二极管

如前所述，PN结具有电容效应。当PN结反偏时，结电容以势垒电容为主，且其值与反偏电压的大小有关，如图1-19a所示。因此，改变反偏电压的值，就可以改变结电容的大小。利用PN结的这一特性而制作的二极管，称为变容二极管，电路符号如图1-19b所示。

变容二极管的电容很小，一般为pF数量级，因而广泛应用于高频技术中。例如电视机高频头中的压控可变电容器，就是通过控制直流电压来改变二极管的结电容，从而改变谐振频率，实现频道选择的。

1.3.3 光电二极管

光电二极管是一种能够将光能转换为电能的半导体器件。图1-20为光电二极管的电路符号和伏安特性。

光电二极管同样具有单向导电性，但其正常工作时却应当施加反向电压。无光照时，只有很小的反向饱和电流，称为暗电流；有光照时，因光激发而产生大量的自由电子-空穴对，形成较大的反向电流，称为光电流。当光电流大于几十微安后，其数值大小与照度之间即可形成良好的线性关系，这种特性被广泛用于遥控、报警以及光电传感器中。

1.3.4 肖特基二极管

肖特基二极管是利用金属与N型半导体接触在交界面所形成的势垒而制作的二极管，其电路符号如图1-21所示，其中阳极连接金属，阴极连接N型半导体。

肖特基二极管的伏安特性与普通PN结二极管非常类似，也具有单向导电性。但由于制作原理不同，肖特基二极管是一种依靠多数载流子工作的器件，因此导通时几乎没有电荷存储效应，工作速度非常快，而且死区电压和导通电压都比PN结二极管低。基于上述特点，肖特基二极管特别适于高频或开关状态的应用。