第二节 晶体二极管

第二节 晶体二极管
一、二极管的结构和分类
1．二极管的结构 PN 结加上引出线和管壳就构成了晶体二极管（简称二极管），由P 型半导体引出的是正极(又称阳极)，由N 型半导体引出的是负极（又称阴极）。

使用二极管时，要注意极性不能接错，为此，常常在管壳上标明色点，表示该端为正极，或标以二极管的符号，二极管的符号如图1-2-1所示，其箭头表示正向导通电流的方向。

2．分类 按二极管的结构不同，二极管可分点接触型和面接触型两种,点接触型二极管的PN 结面积和极间电容均很小，不能承受高的反向电压和大电流，因而适用于制做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，以及作为小电流的整流管。

面接触型二极管或称面结型二极管的PN 结面积大，可承受较大的电流，其极间电容大，因而适用于整流，而不宜用于高频电路中。

k 阴极
阳极a
二、二极管的伏安特性
二极管的导电性能可用伏安特性曲线表示．它是指通过二极管的电流与加于管子两端电压之间的关系，硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线如图1-2-2所示．它可用晶体管特性图示仪或实验测试出来，下面以硅二极管为例分述如下。

1．正向特性 曲线从坐标原点开始，当外加正向电压很小时，外电场不足以克服内电场的阻挡作用，多子扩散运动受阻，二极管呈高阻，正向电流几乎为零，这段区域通常称为死区．锗管的死区电压纶0.1V ，硅管的死区电压约0.5V 。

当外加电压为正且超过死区电压后，内电场被大大削弱，二极管导通，电阻大大减小，正向电流随电压增高而迅速增大，在正常使用电流范围内，二极管两端电压几乎维持恒定。

在室温下，小功率锗管约为0.2--0.3V ，硅管约为0.6-0.8V 。

2．反向特性 二极管外加反向电压时，内电场被加强，少子漂移运动形成了反问饱和电流Is 。

由于少子数量有限，反向饱和电流很小，而且与反向电压大小基本无关，在室温下，硅管的反向饱和电流在1微安以下，而锗管的反向饱和电流约几~几十微安，反向饱和电流越大，二极管的反向特性越差，反向饱和电流会随温度升高而迅速增加。

由正向特性和反向特性可知，二极管具有单向导电性，二极管的实质就是PN 结。

3．反向击穿特性 当反向电压超过一定值后，反向电流突然急剧增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为二极管的反向击穿，如图1-2-3所示。

相应的电压称反向击穿电压，二极管击穿时，加在PN 结上的电压，电流均很大．若没有限流措施，将会因电流过大，烧毁PN 结，一般点接触型二极管的反向击穿电压为数十伏，面接触型的为数百伏，最高可达几千伏。

4．温度对特性的影响　由于二极管的核心是一个PN 结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小；反向特性曲线向下移动,反向电流增大。

　
-I
S
锗管
硅管击穿
三、二极管的主要参数
为了正确选择和使用二极管，必须了解二极管的类型，用途和性能参数，供实际应用参考，二极管有以下主要参数。

1．最大整流电流I FM
二板管长期工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流值，与环境温度和散热条件有关。

实际应用时，通过二极管的正向平均电流不得超过此值，否则将使管子过热而损坏。

2．最高反向工作电压U RM 该电压是指允许加在二极管两端的反向电压的峰值，为安全起见，最高反向工作电压约为反向击穿电压的一半，使用时，加在二极管两端的反向电压峰值不能超过U RM 值。

例如2AP1最高反向工作电压规定为20V ，而实际反向击穿电压可大于40V 。

3．反向饱和电流I R 反向饱和电流I R 是指二极管未被击穿时的反向电流。

I R 越小说明二极管的单向导电性能越好，它会随温度升高而急剧增大。

4．最高工作频率f M 最高工作频率f M 是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。

二极管工作频率与PN 结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。

二极管的参数很多，除上述参数外，还有结电容、正向压降等，实际应用时，可查阅半导体器件手册。

四、选择二极管的原则
首先要保证所选管子能安全，可靠地工作，也就是使用不超过它的极限值，并留有
一定余地。

此外，根据要求，选择经济、实用的管子。

一般的原则是：要求反向电压高、耐高温、反向电流小、正向电流大时，选硅管。

要求死区电压小、正向电压小，工作频率高时，选锗管。

例1.1 有同型号二极管三只，测得数据如下表所示，试问哪个管子性能好?哪个管子性能差?
解：甲管单向导电性能最好，因为它耐压高，反向电流小，正向电压相同情况下，正向电流大。

五、特殊晶体管
除了普通二极管，还有特殊用途的二极管，如稳压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等。

1．硅稳压二极管稳压管是一种用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管，它与电阻配合具有稳定电压的特点
（1）稳压管的伏安特性
图1-2-3是稳压管的伏安特性曲线和电路符号，与普通二极管不同的是，稳压管正常工作在反向击穿状态．只要反向电流控制在一定范围内，PN结的功率损耗和结温不超过允许值，管子就不会烧坏。

由图可见，在反向击穿区，当反向电流在一定范围内变化时，稳压管两端的反向电压基本不变。

因此，利用这一特性，可在电路起稳压作用。

（2）稳压管的主要参数
1）稳定电压Uz 稳定电压是指稳压管中的电流为规定电流时稳压管两端的电压值，由于制造的分散性，即使同一型号的稳压管的稳定电压也略有不同，例2CW55，其稳定电压Uz在6.2—7.5之间，但对某一稳压管，其稳定电压是一确定值。

2）稳定电流Iz 稳定电流I Z是指稳压管工作至稳压状态时流过的电流。

当稳压管稳定电流小于最小稳定电流I Z max时,没有稳定作用;大于最大稳定电流I Z max时,管子因过流而损坏。

　
3）最大耗散功率P ZM 稳压管额定功耗P ZM是保证稳压管安全工作所允许的最大功耗。

其数值为稳定电压Uz和允许的最大稳定电流I zmax的乘积。

4）动态电阻r Z 动态电阻r Z是指稳压管两端电压的变化量ΔU Z与对应电流变化量ΔI Z 之比，r Z随工作电流不同而变化，电流越大，r Z越小，稳压性能也越好5）电压温度系数α当温度变化1℃时稳压管的稳压值U Z的相对变化量。

例如,2CW17的电压温度系数为9×10-4/℃。

稳压值低于4V的稳压管，电压温度系数为负（表现为齐纳击穿）；高于7V的稳压管，系数为正（表现为雪崩击穿）；而在4V和7V之间的管
子（呈现两种击穿），温度系数度很小。

（3）稳压管的应用图1-2-4是稳压二极管用来构成的稳压电路，其中R1为限流电阻，负载R L两端直流电压Uo=U Z
1）当稳压电路的输入电压Ui保持不变，负载电阻R L增大时，输出电压U O将升高,稳压管两端的电压U Z上升，电流I Z将迅速增大，流过R的电流I R也增大，导致R1上的压降U R上升，从而使输出电压U O下降。

上述过程简单表述如下:
R L↑　
U O↓
如果负载R,输出电压
2）当负载电阻电网电压下降导致U O也将随之下降，但此时稳压管的电流R1U I的下降，使输出电压基本保持不变。

上述过程简单表述如下：
→
如果输入电压U I升高,R上压降增大，其工作过程与上述相反，输出电压U O仍保持基本不变。

　
由以上分析可知，硅稳压管稳压原理是利用稳压管两端电压U Z的微小变化，引起电流I Z的较大的变化，通过电阻R1起电压调整作用，保证输出电压基本恒定，从而达到稳压作用。

在汽车的仪表电路和部分电子控制电路中，一些需要精确电压值的地方常利用稳压管来获取所需电压。

如图1-12所示简化汽车仪表稳压电路中，利用稳压管可为汽车仪表提供稳定的工作电压。

由图可见，稳压管与汽车仪表并联，当电源电压发生变化时，将引起不同大小的电流流过电阻和稳压管，从而改变降落在电阻上的电压，而稳压管始终维持其稳压值不变。

仪表
图1-2-5 稳压管在汽车上的应用
2．发光二极管发光二极管(简称LED)与普通二极管一样，也是由PN结构成的，同样具有单向导电性,但在正向导通时能发光，所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。

发光二极管常用砷化镓、磷化镓等化合物半导体制成。

发光的颜色主要取决于所用材料，有红，橙、黄，绿等颜色。

此外，还有变色发光二极管，即当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变，发光二极管外形及电路符号如图1-13所示。

发光二极管具有体积小，工作电压低（正向电压约为1-2V）工作电流小（几毫安一几十毫安），寿命长等优点，从而得到广泛应用。

常被用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件。

发光二极管的另一个重要的用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号
3．光敏二极管光敏二极管工作在反偏状态,它的管壳上有一个玻璃窗口，以便接受光照，在无光照时，反向饱和电流很小（一般小于1μA），称为暗电流．当有光照时，产生电子一空穴对，统称光生载流子．光线越强，光生载流子越多，在外电路反偏电压作用下，形成的反向电流越大，称为光电流．光电流与光照强度成正比，通过电路外接负载，可获得随光照强弱变化的电信号，从而实现光电转换，其反向电流随光照强度的增加而上升，即反向电流与光照度成正比。

图1-2-7是红外光敏二极管的电路符号及其
简易检测方法示意图，光敏二极管常用作传感器的光敏元件，可将光信号转换为电信号，大面积的光敏二极管可用作能源，即光电池。