1.2　半导体二极管

1.2.1　二极管的结构和类型

半导体二极管是最简单的半导体器件。它由一个PN结、两根电极引线并用外壳封装而成。从PN结的P区引出的电极称为正极（阳极）；从PN结的N区引出的电极称为负极（阴极）。

几种常见的二极管的外形如图1-8所示，二极管的图形符号如图1-8（d）所示。

二极管的种类很多，按制造材料分，有硅二极管和锗二极管等；按用途分，有整流二极管、开关二极管等；按结构工艺分，有面接触型、点接触型等。

常用的较大功率的整流二极管为面接触型结构的。它的PN结面积较大，允许流过较大的电流，同时其结电容也大，适应于工作在较低频率（几十千赫以下）。其结构如图1-8（b）所示。

点接触型二极管的结构如图1-8（a）所示。它的PN结面积很小，结电容也小，适用于高频（几百兆赫）、小电流（几十毫安以下）的场合，主要应用于高频检波、小功率整流等。

1.2.2　二极管的伏安特性

1.二极管的伏安特性

实际的二极管伏安特性如图1-9所示。

它主要包括三个区域：

（1）正向特性。当外加正向电压时，正极（阳极）接电源正极，二极管将导通，产生正向电流，如图1-9中曲线①所示。从图中可以看出：当正向电压数值较小时，由于外电场较小，尚不足以克服内电场对多数载流子扩散运动的阻力，正向电流几乎为零，这个区域称为死区。当正向电压增大超过某一数值后，二极管导通，正向电流随正向电压增加而迅速增大。这个电压Uon称为门槛电压或阈值电压。

二极管导通后，在正常使用的电流范围内，其正向电压数值很小，且基本上恒定。对于小功率硅管为0.6～0.8V（典型值取0.7V）；对于锗管，为0.2～0.3V（典型值取0.3V）。

（2）反向特性。当外加反向电压时，正极（阳极）接电源负极，由少数载流子产生反向饱和电流，其数值很小。一般硅管的反向饱和电流比锗管的要小得多。小功率硅管的反向饱和电流约为几百纳安，锗管约为几十微安，如图1-9中曲线②所示。

（3）反向击穿特性。当外加反向电压增大至某一数值UBR时，反向电流急剧增大，这种现象称为二极管的反向击穿。UBR称为反向击穿电压，如图1-9中曲线③所示。二极管的反向击穿电压一般在几十伏至几千伏之间。

在反向击穿时，只要反向电流不是很大，PN结未被损坏；当反向电压降低后，二极管将退出击穿状态，仍恢复单向导电性。这种击穿又称PN结的电击穿。

在反向击穿时，流过PN结的电流过大，使PN结温度过高而烧毁，就会造成二极管的永久损坏。这种击穿又称PN结的热击穿。

2.温度对二极管特性的影响

当温度变化时，二极管的反向饱和电流与正向压降将会随之变化。

当正向电流一定时，温度每增加1℃，二极管的正向压降减少2～2.5mV。

温度每增高10℃，反向电流约增大一倍。

1.2.3　二极管的参数和应用

1.二极管的主要参数

（1）最大整流电流IF。它是二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。它由PN结的面积和散热条件所决定，使用时不得超过此值，否则会烧坏二极管。

（2）最高反向工作电压URM。它是指允许加在二极管上的反向电压的最大值（峰值）。一般地，最高反向工作电压约为击穿电压的一半。

（3）反向电流IR。它是在室温下，二极管两端加上规定的反向电压时的反向电流。其数值越小，管子的单向导电性越好。它随温度升高而增大。此外，二极管的参数还有最高工作频率、正向压降、结电容等。

2.二极管的应用

二极管在使用时，应考虑不超过IF、UBR、URM等极限参数，以保证二极管不至于损坏。一般地，硅管适用于正向电流大、反向电压高、反向电流小的场合。锗管适用于正向压降小、工作频率高的场合。下面介绍几种常见的二极管应用电路，如表1-1所示。

（1）整流电路。利用二极管的单向导电性，将交流电变换为单向脉动直流电的电路，称为整流电路。常见的有单相半波、全波和桥式整流电路等。图1-10所示为常见的半波整流电路及波形。

（2）限幅电路。利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。

【例1-1】画出图1-11所示电路的输出波形。

解：图1-11（a）的分析：输入电压ui为正弦波，根据二极管的单向导电性，将输入ui与-3V叠加，看看二极管两端是否正向压降，据此判断二极管是否导通。VD1导通时，二极管上压降为0，uo1等于-3V；VD1不导通时，二极管截止，相当于断开，故uo1等于ui，得出输出电压uo1的波形[见图1-12（a）]。从波形图中可以看出，输出电压幅度在一定范围被限制在-3V上。

对图1-11（b）的分析：正半周时，VD2一直承受反向电压截止，这一路视为断开。当ui大于3V时，二极管VD1承受正向电压，导通，相当于短路，uo2=3V；当ui小于3V时，二极管VD1承受反向电压，截止，相当于断路，uo2=ui。

uo2波形如图1-12（b）所示。负半周分析同理。二极管在该电路中起的是限幅作用。

【例1-2】图1-13是可调温度电热毯的电路图，它有空挡（开关S处于位置1，关断状态）、高温（S置于位置2）、低温（S置于位置3）三挡。试说明为什么S置于位置3是电热毯的低温挡？若电热毯在高温挡的额定功率为60W，试计算流过二极管平均电流和二极管承受的最大反向电压。

解：因为S置于位置3时，只有正半周时VD才导通，流过电热毯的平均电流为S置于位置2时流过电热毯平均电流的一半，所以S置于位置3时电热毯为低温挡。

由，得电热毯的电阻值R为

当S置于位置3时，流过电热毯的平均电流为S置于位置2时流过电热毯平均电流的一半，根据二极管半波整流电路的知识（后面第5章直流稳压电源将详细讲到），流经二极管的平均电流为，故流过二极管的平均电流为

二极管承受的最大反向电压

1.2.4　二极管的简易测量

在一般情况下多采用普通万用表来检查二极管的质量或判别正、负极。

将万用表拨到R×100或R×1k挡，此时万用表的红表笔接的是表内电池的负极，黑表笔接的是表内电池的正极。因此当黑表笔接至二极管的正极、红表笔接至负极时为正向连接。具体的测量方法是：将万用表的红、黑表笔分别接在二极管两端，如图1-14（a）所示，而测得电阻比较小（几千欧以下），再将红、黑表笔对调后连接在二极管两端，如图1-14（b）所示，而测得的电阻比较大（几百千欧以下），说明二极管具有单向导电性，质量良好。测得电阻小的那一次黑表笔接的是二极管的正极。

如果测得二极管的正、反向电阻都很小，甚至为零，则表示二极管内部已短路；如果测得二极管的正、反向电阻都很大，则表示二极管内部已断路。