1.3　特殊二极管

1.3.1　稳压二极管

1.稳压二极管及其伏安特性

稳压二极管（简称“稳压管”）是一种用特殊工艺制造的面接触型硅二极管。它在电路中能起稳定电压的作用。稳压管的图形与文字符号及伏安特性曲线如图1-15所示。

由图1-15可知，稳压管的正向特性曲线与普通硅二极管相似，但是，它的反向击穿特性较陡。

稳压管通常工作于反向击穿区。稳定电压UZ处在IZmin与IZmax对应的两点电压之间。反向击穿后，当流过稳压管的电流在很大范围内变化时（从IZmin到IZmax），对应稳压管两端的电压几乎不变，ΔUZ很小，电流吞吐调节能力很强，因而可以获得一个稳定的电压UZ。多个稳压管可以串联起来工作，组合成不同的稳压值。

只要击穿后的反向电流不超过允许范围，稳压管就不会发生热击穿损坏。为此，可以在电路中串联一个限流电阻器。

2.稳压二极管的主要参数

（1）稳定电压UZ，指稳压管通过规定的测试电流时稳压管两端的电压值。由于制造工艺的原因，同一型号的管子的稳定电压有一定的分散性。例如2CW55型稳压管的UZ为1.2～7.5V（测试电流10mA）。目前常见的稳压管的UZ分布在几伏至几百伏。

（2）稳定电流IZ，指稳压管正常工作时的参考电流值。稳压管的工作电流越大，其稳压效果越好。实际应用中只要工作电流不超过最大工作电流IZmax均可正常工作。

（3）动态电阻rZ，定义为稳压管两端电压变化量与相应电流变化量的比值，即

稳压管的反向特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。

（4）最大工作电流IZmax和最大耗散功率PZmax；最大工作电流IZmax指稳压管允许流过的最大电流；最大耗散功率PZmax指稳压管允许耗散的最大功率，即

PZmax=UZIZmax

在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压管，可以选用稳压值较低的稳压管，将其串联使用，或者串联一只或几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0.6～0.7V的特点来进行稳压的。因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。

1.3.2　发光二极管

1.结构和工作原理

发光二极管是一种将电能转换成光能的发光器件。其基本结构是一个PN结，采用砷化镓、磷化镓、氮化镓等化合物半导体材料制造而成。它的伏安特性与普通二极管类似，但由于材料特殊，其正向导通电压较大，为1.5～3V。当二极管正向导通时将会发光。

发光二极管简写为LED（Light Emitting Diode）。发光二极管具有体积小、工作电压低（多为2～5V）、工作电流小（10～30mA）、发光均匀稳定、响应速度快和使用寿命长等优点。常用作显示器件，除单个使用外，也可制成七段式或点阵式显示器。

其中以氮化镓为材料的绿、蓝、紫、白光LED的正向导通电压在4V左右。

未来高亮度LED器件可能会取代传统灯泡成为新型的照明装置。

发光二极管的图形符号和外形如图1-16所示。

2.主要参数

LED的主要参数有电学参数和光学参数。

电学参数主要有极限工作电流IFM、反向击穿电压UBR、反向电流IR、正向电压UF、正向电流IF等，这些参数的含义与普通二极管类似。

光学主要参数：

峰值波长λp，它是最大发光强度对应的光波波长，单位为纳米（nm）。

亮度L，它与流过管子的电流和环境温度有关，单位为坎/米2（cd/m2）。

光通量Φ，单位为流明（lm）或毫流明（mlm）。

常见的LED发光颜色有红、黄、绿、蓝、紫和白等。

1.3.3　光电二极管

1.结构与工作原理

光电二极管又称光敏二极管，是一种能够将光信号转换为电信号的器件。

图1-17（a）是光电二极管的图形符号，图1-17（b）是它的特性曲线。光电二极管的基本结构也是一个PN结，但管壳上有一个窗口，使光线可以照射到PN结上。

光电二极管工作在反偏状态下。当无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小，称为暗电流；当有光照时，其反向电流随光照强度的增加而增加，称为光电流。

2.主要参数

光电二极管的主要电参数有：暗电流、光电流和最高工作电压。

光电二极管的主要光参数有：光谱范围、灵敏度和峰值波长等。

3.应用举例

图1-18是红外线遥控电路的部分示意图。当按下发射电路中的按钮时，编码器电路产生出调制的脉冲信号，由发光二极管将电信号转换成光信号发射出去。

接收电路中的光电二极管将光脉冲信号转换为电信号，经放大、解码后，由驱动电路驱动负载动作。当按下不同按钮时，编码器产生相应不同的脉冲信号，以示区别。接收电路中的解码器可以解调出这些信号，并控制负载做出不同的动作响应。

1.3.4　太阳能电池板

当前煤炭、石油等不可再生能源频频告急，新能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始开发太阳能资源，太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

1.材料

当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上，而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55％，太阳能级多晶硅占45％。随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展。

2.原理

太阳光照在半导体PN结上，形成新的电子空穴对，在PN结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能电池生产过程大致可分为5个步骤：a.提纯过程；b.拉棒过程；c.切片过程；d.制电池过程；e.封装过程。图1-19所示为太阳能电池板。

3.太阳能发电方式

太阳能发电有两种方式：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程。

（2）光—电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光伏效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组。