电子元器件系列知识 二极管

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1、Roger 曾劍鋒曾劍鋒 主旨主旨: 電子元器件系列知識-二极管第 1 頁，共 29 頁郵件2004/8/26电子元器件系列知识电子元器件系列知识-二极管二极管二极管的特性与应用 几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用， 它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷 层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和 自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自 建电场的互相抑消作

2、用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置 时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的 反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临 界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为 二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si 管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按 照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管 是用一

3、根很细的金属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、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流 出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 PDF

4、 created with pdfFactory Pro trial version 1. 正向特性。 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种 连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不 能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称 为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极 管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压 降”。 2. 反向特性。 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高

5、电位端，此时二极管中几乎没有电 流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置 时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某 一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击 穿。 二极管的主要参数 用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管 有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数： 1、额定正向工作电流 是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发 热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为9

6、0左右）时，就会使管芯过热而 损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN40014007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。 2、最高反向工作电压 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证 使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐 压为1000V。 3、反向电流 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向 电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大第 2 頁，共 29 頁郵件2004/8/26 P

7、DF created with pdfFactory Pro trial version 约温度每升高10，反向电流增大一倍。例如2AP1型锗二极管，在25时反向电流若为250uA， 温度升高到35，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75时，它的反向电流已达8mA，不仅 失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。又如，2CP10型硅二极管，25时反向电流仅 为5uA，温度升高到75时，反向电流也不过160uA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好 的稳定性。 测试二极管的好坏 初学者在业余条件下可以使用万用表测试二极管性能的好坏。测试前先把万用表的转换开 关拨到欧姆档的RX1K档位（注

8、意不要使用RX1档，以免电流过大烧坏二极管），再将红、黑 两根表笔短路，进行欧姆调零。 1、正向特性测试 把万用表的黑表笔（表内正极）搭触二极管的正极，红表笔（表内负极）搭触二极管的 负极。若表针不摆到0值而是停在标度盘的中间，这时的阻值就是二极管的正向电阻，一般正 向电阻越小越好。若正向电阻为0值，说明管芯短路损坏，若正向电阻接近无穷大值，说明管 芯断路。短路和断路的管子都不能使用。 2、反向特性测试 把万且表的红表笔搭触二极管的正极，黑表笔搭触二极管的负极，若表针指在无穷大值或 接近无穷大值，管子就是合格的。 二极管的应用 1、整流二极管 利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变

9、换成单一方向的脉动直流电。 2、开关元件 二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作 用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成 各种逻辑电路。 3、限幅元件 第 3 頁，共 29 頁郵件2004/8/26 PDF created with pdfFactory Pro trial version 二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一 特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。 4、继流二极管 在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。 5、检

10、波二极管 在收音机中起检波作用。 6、变容二极管 使用于电视机的高频头中。 半导体的特性 半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在 于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。 1 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万 倍的增加-这是半导体最显著、最突出的特性。例如，晶体管就是利用这种特性制成的。 2 当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半 导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特 性制成的。 3 当有光线照射在某些半导体时

11、，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线 照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。例如，用作自动化控 制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成 的。 由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环 境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后，明确一个基本概 验：所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体”。 P性半导体和N型半导体-前面讲过，在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质，能使半导 体的导电能力成百万倍的增加。加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一

12、种杂质加到半导 体中去后，在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子，这种半导体叫做“N型半导 体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后，会产生大量带正电荷的“空 穴”，这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。例如，在纯净的半导体锗第 4 頁，共 29 頁郵件2004/8/26 PDF created with pdfFactory Pro trial version 中，加入微量的杂质锑，就能形成N型半导体。同样，如果在纯净的锗中，加入微量的杂质 铟，就形成P型半导体。 一个PN结构成晶体二极管-设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体 （有大量的带负电

13、荷的自由电子）结合在一起，见图1所示。 图1 在P型半导体的N型半导体相结合的地方，就会形成一个特殊的薄层，这个特殊的薄层就 叫“PN结”。晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的（见图1）。 例如，收音机中应用的晶体二极管，其触丝（即触针）部分相当于P型半导体，N型锗片就是N型半导体，他们之间的接触面就是PN结。P端（或P端引出线）叫晶体二极管的正端（也称 正极）。N端（或N端引出线）叫晶体二极管的负端（也称负极）。 如果像图2那样，把正端连接电池的正极，把负端接电池的负极，这是PN结的电阻值就小到 只有几百欧姆了。因此，通过PN结的电流（I=U/R）就很大。这样的连接方法（图2a）叫“正 向

14、连接”。正向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“正向电压”；处在正 向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“正向电阻”，在正向电压下，通过二极管（或PN 结）的电流叫“正向电流”。很明显，因为晶体二极管的正向电阻很小（几百欧姆），在一 定正向电压下，正向电流（I=U/R）就会很大-这表明在正向电压下，二极管（或PN结）具 有像导体一样的导电本领。 第 5 頁，共 29 頁郵件2004/8/26 PDF created with pdfFactory Pro trial version 图2a 图2b 反过来，如果把P端接到电池的负极，N端接到电池的正极（见图2b）。这时PN结的电阻

15、很大 （大到几百千殴），电流（I=U/R）几乎不能通过二极管，或者说通过的电流很微弱。这样的 连接方法叫“反向连接”。反向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“反向 电压”；处在反向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“反向电阻”，在反向电压下，通过 二极管（或PN结）的电流叫“反向电流”。显然，因为晶体二极管的正向电阻很大（几百千 欧姆），在一定的反向电压下，正向电流（I=U/R）就会很小，甚至可以忽略不计，-这表 明在一定的反向电压下，二极管（或PN结）几乎不导电。 上叙实验说明这样一个结论：晶体二极管（或PN结）具有单向导电特性。 晶体二极管用字母“D”代表，在电路中常用图3的符号表示，即表示电流（正电荷）只能顺 着箭头方向流动，而不能逆着箭头方向流动。图3是常用的晶体二极管的外形及符号。 图3 利用二极管的单向导电性可以用来整流（将交流电变成直流电）和检波（从高频或中频电信 号取出音频信号）以及变频（如把高频变成固定的中频465千周）等。 PN结的极间电容-PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容，叫做“极 间电容”（如图4所示）。由于电容抗随频率的增高而减小。所以，PN结工作于高频时，高 频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时，极间电容对直 流和低频的阻抗很大，故一般不会影响PN结的工作性