任务1 半导体二极管

子任务1 半导体二极管的识别与测试

任务描述

图1-1-1所示为二极管，现要求对其进行以下测试。

1.二极管好坏的判断。

2.二极管极性的判断。

学习目标

1.了解二极管的结构。

2.理解二极管的单向导电特性和主要参数。

任务分析

1.二极管的结构

半导体二极管是由一个PN结（管芯）加上电极引线和管壳构成的。从P型区引出的电极称为正极；与N型区相连的电极为负极，其结构示意图和电路符号如图1-1-2所示。

二极管按结构不同分为点接触型和面接触型两类。

2.二极管好坏的判断

用万用表测量二极管的正反向电阻，判断二极管的好坏。

3.判断二极管的极性

要求能从标记符号判断二极管的极性，并掌握用万用表和晶体管图示仪测试二极管的步骤及方法。

完成任务/操作步骤

任务准备

一、二极管的伏安特性曲线

二极管的主要特性就是PN结的单向导电特性，可以用伏安特性曲线来描述，如图1-1-3所示。

1.正向特性

当外加正向电压较小时，不足以克服内电场的作用，扩散运动基本不能进行，因此正向电流趋于零，则该区称为死区。

当正向电压增加到一定数值Uon时，开始出现正向电流，此时的电压称为开启电压Uon（或称死区电压）。常温下，硅二极管的Uon=0.5～0.7V；锗二极管的Uon=0.1～0.3V。

当外加正向电压大于Uon时，正向电流成指数规律上升，近似线性上升，因此，该区称为“线性工作区”。

注意：二极管正向导通时应工作在该区。

2.反向特性

在反向电压作用下，没有多子做扩散运动，只有少子做漂移运动，形成很小的漂移电流，称为反向饱和电流IS。

当温度一定时，IS表现饱和性质，因此，该区称为反向饱和区，管子基本显截止状态。硅管的IS约在纳安（nA）量级；锗管约在微安 （μA）量级。

当反向电压增加到一定数值时，反向电流IS 剧增，二极管反向击穿，曲线出现长尾现象，则该区称为反向击穿区，所对应的反向电压UBR称为向击穿电压。

二、二极管的主要参数

1.最大整流电流IFM

最大整流电流是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向工作电流的平均值。

2.最高反向工作电压URM

最高反向工作电压是指二极管允许承受的反向工作电压的峰值。

3.反向饱和电流IS

反向饱和电流是指管子没有击穿时的反向电流值。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。

完成任务

三、二极管的测试

普通二极管的品种很多，例如，整流二极管、检波二极管、开关二极管等，这些管子又有锗管和硅管之分，但它们都是由一个PN结组成的，所以其测试方法基本上都是一样的。

1.二极管好坏的判断

用万用表测量二极管的正反向电阻，把两支表笔分别接二极管的两个电极。

① 若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。

② 若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路。

③ 测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。

2.二极管极性的判断

（1）从标记符号判断二极管的极性

观察外壳上的标记符号。通常在二极管印有色环（多为黑色或白色）的一端为负极（阴极），另一端则为正极（阳极）。

（2）使用万用表测试普通二极管

将万用表置于R×100挡或R×1k挡（对于面接触型的大电流整流管可用R×1挡或R×10挡），把两支表笔分别接二极管的两个电极，测出二极管的电阻值，然后对换两支表笔再测量一次二极管的电阻值。若先后两次所测得的阻值差异较大，则说明被测二极管是好的（差异越大，管子的性能越好）；阻值小的为二极管的正向电阻，其阻值一般在10kΩ以下，锗管一般在100～1kΩ，硅管在1千欧至几千欧。阻值大的为二极管的反向电阻，其阻值应在几百千欧以上，甚至接近无穷大。

在测试中，阻值小的那一次，黑色表笔接的电极就是二极管的正极（阳极），红色表笔接的则是二极管的负极（阴极）。

3.使用晶体管图示仪测试普通二极管

晶体管特性图示仪是一种可直接在示波管荧光屏上观察各种晶体管的特性曲线的专用仪器。测试时只要把图示仪的旋钮及开关调整至正确的位置，通过仪器的标尺刻度可直接读出被测晶体管的各项参数；它可用来测定晶体管的共集电极、共基极、共发射极的输入特性、输出特性、转换特性、α、β参数特性；可测定各种反向饱和电流 ICBO、ICEO、IEBO和各种击穿电压 UCBO、UCEO、UEBO等。晶体管特性图示仪插孔示意图如图1-1-4所示。

知识链接

特殊二极管

1.稳压二极管

稳压二极管又名齐纳二极管，简称稳压管，是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管，这种管子的杂质浓度比较大，容易发生击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区。

（1） 稳压管的伏安特性和符号

图1-1-5所示为稳压管的伏安特性和符号。

（2）稳压管的主要参数

① 稳定电压UZ。它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。

② 稳定电流IZ。它是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流Izmin和最大稳定电流Izmax之分。

③ 耗散功率PM。它是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。

（3）应用稳压管应注意的问题

① 稳压管稳压时，一定要外加反向电压，以保证管子工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压值小于UZ，则稳压二极管相当于普通的二极管。

② 在稳压管稳压电路中，一定要配合限流电阻的使用，以保证稳压管中流过的电流在规定的范围之内。

2.发光二极管

发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料，例如，用砷化镓发出红光，而用磷化镓则发出绿光。其中白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。

发光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料的不同而不同，一般为1.7～2.4V。普通绿、黄、红、橙色发光二极管工作电压约为2V；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电压一般高于3.3V。发光二极管的工作电流一般在2～25mA。

发光二极管应用非常广泛，常用做各种电子设备（如仪器仪表、计算机、电视机等）的电源指示灯和信号指示灯，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。普通发光二极管的外形和符号如图1-1-6所示。

3.光电二极管

光电二极管又称光敏二极管，它是一种光接收器件，其PN结工作在反向偏置状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。图1-1-7所示为光电二极管的基本电路和符号。

4.变容二极管

图1-1-8所示为变容二极管的符号。此种管子是利用PN结的电容效应进行工作的，它工作在反向偏置状态，当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。

5.激光二极管

激光二极管是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔。工作时接正向电压，可发射出激光。

激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器、激光打印机中的打印头、激光唱机、激光影碟机中都有激光二极管。

思考与训练

1.用万用表测试二极管2AP7，判断其好坏。

2.用万用表测试二极管2DZ54C，判断其极性。

子任务2 导体二极管的应用

任务描述

要求制作如图1-1-9所示的直流稳压电源，并简单分析电路的工作原理。

学习目标

1.掌握单相半波整流电路的组成、工作原理。

2.掌握单相桥式整流电路的组成、工作原理。

任务分析

1.直流稳压电源工作原理如图1-1-9所示，经过变压器T降压后的交流电经桥式全波整流电路VD1～VD4变成了单方向的直流电。这种直流电含有交流成分，称为脉动的直流电，需要利用滤波电容器C滤除其中的交流成分，得到脉动较小的直流电。然而此时由于电网电压波动和负载变化的影响，电压值并不稳定。利用稳压二极管的稳压特性所组成的稳压电路是一种最简单的稳压电路，适用于小功率和对稳压精度要求不高的场合。该电路输出的直流电压值取决于VD5的稳压值。

2.按电路要求合理选择元件参数，并按电路图正确安装元器件。

完成任务/操作步骤

任务准备

一、单相半波整流电路的组成、工作原理

1.电路组成

单相半波整流电路如图1-1-10所示，图中T为电源变压器，用来将市电220V交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。

2.工作原理

电源变压器T初级接交流电压u1，则在变压器T的次级就会产生感应电压u2。当u2为正半周时，整流二极管VD上加的是正向电压，处于导通状态，其电流io流过负载RL，于是在RL上产生正半周电压uo；当u2为负半周时，整流二极管VD上加的是反向电压，处于截止状态，负载RL上无电流通过。当输入电压进入下一个周期时，整流电路将重复上述过程。各波形对应关系如图1-1-11所示。由图可见，负载RL上得到的是自上而下的单向电流，实现了整流。由uo的波形图可见，这种电路只利用电源电压的u2的半个波，故称半波整流。

单相半波整流电路的缺点是电源利用率低且输出脉动大。

二、单相桥式整流电路的组成、工作原理

1.电路组成

为了克服单相半波整流的缺点，常采用单相桥式整流电路，它由四个二极管接成电桥形式构成，图1-1-12所示为单相桥式整流电路的几种画法。

2.工作原理

当输入电压u1为正半周时，整流二极管VD1和VD3上因加正向电压而导通，VD2和VD4因加反向电压而截止。电流io流经VD1、RL和VD3并在RL上产生压降uo。

当输入电压u1为负半周时，整流二极管VD1和VD3因加反向电压而截止，VD2和VD4因加正向电压而导通。电流io流经VD2、RL和VD4并在RL上产生压降uo。其电流电压波形如图1-1-13所示。

三、并联型硅稳压管稳压电路

由于交流电网电压的变化或负载的变化，均会引起整流滤波电路输出直流电压的变化。因此，为了使负载得到稳定的直流电压，必须在整流滤波电路后接入稳压电路。稳压电路分为并联型硅稳压管稳压电路和串联型稳压电路两种。下面主要介绍一下并联型硅稳压管稳压电路。

电路如图1-1-14所示，输入电压UI 是经过整流滤波后的电压；稳压电路的输出电压Uo是稳压管的稳定电压Uz；R是限流电阻，由于稳压管与负载 RL 并联，所以称为并联型稳压电路。它是利用的稳压管的反向击穿特性，如图1-1-15所示。当稳压管反向击穿时，若电流在Izmin至Izmax的范围内变化，则稳压管电压Uz的变化值很小，其靠稳压管的电流变化，补偿负载电流变化，使输出电压稳定。

四、元器件选择

元器件列表1-1-1。

另外还需准备熔断器座、电源线、黑胶布、印制电路板。

完成任务

五、安装、调试与检测

① 按电路图正确安装元器件。

② 检查元器件安装正确无误后，接通电源。

③ 根据ST16示波器的使用方法，把示波器调节好。用垂直输入灵敏度步进式选择开关置“10V/div”挡，垂直被测信号输入耦合方式的转换开关置“DC”直流耦合状态。时基扫速步进式选择开关置“2ms/div”挡，触发信号极性开关置“+”。触发信号源选择开关置于“INT”。

④ 用示波器探头分别测量电源变压器次级、整流二极管输出端和滤波电容器两端的波形。把测量到的波形绘制在表1-1-2中。

⑤ 将万用表拨到R×1k挡，校零后，在稳压管不接入的状态下，测量RP1的阻值（注意要在不通电的情况下测量）。调节RP1，使其阻值分别为1kΩ、750Ω、500Ω、250Ω、0Ω；改变负载电阻中的RP2的阻值；用万用表直流电压挡测量输出电压Uo变化的情况，把每次测量的变化数据记录在表1-1-2中，并得出结论。

⑥ 将万用表拨到直流电流挡，表棒串接在VD5上方，调节微调电位器RP1的阻值，使通过VD5的电流每次分别为1mA、2 mA、5 mA、10 mA、15 mA。然后将万用表拨到直流电压挡，表棒测在负载电阻RL两端，改变微调电位器RP2的阻值，分别测量输出电压Uo变化的情况。把每次测得的数据记录在表1-1-2中，得出结论后与未接入稳压二极管时进行比较，看看有什么变化。

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1.直流稳压电源的组成

在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备的一能量来源，稳压电源的主要任务是将50Hz的电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足负载的需要。直流稳压电源原理方框图，如图1-1-16所示。

直流稳压电源一般由变压、整流、滤波、稳压等环节组成。

变压器：将交流电源（220V或380V）变换为符合整流电路所需要的交流电压。

整流电路：利用单向导电性能的整流器件，将交流电压整流成单向脉动的直流电压。

滤波电路：滤去单向脉动直流电压中的交流成分，保留直流分量，尽可能供给负载平滑的直流电压。

稳压电路：是一种自动调节电路，在交流电源波动或负载变化时，稳定直流输出电压。

2.桥式整流电容滤波

图1-1-17所示为用四只整流二极管组成的桥式整流电容滤波电路，交流电经整流虽已变成脉动直流电，但含有较大的交流分量，为了得到平滑的直流电，在整流电路之后需接入滤波电路，把脉动直流电的交流成分滤掉。

思考与训练

制作一个如图1-1-18所示的全波整流电路，元器件列表见表1-1-3，并分析其工作原理。

另外还需熔断器座、电源线、黑胶布、印制电路板。