二极管认知及应用.docx
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二极管认知及应用
项目一二极管的认知及应用
1.1半导体的基本知识
1.1.1导体、半导体和绝缘体
物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类，导电能力很强的物质称为导体，如铜、铝等金属。
导电能力很弱的物质称为绝缘体，如塑料、玻璃等。
导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。
常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge），其中硅用的最为广泛。
1.1.2本征半导体和杂质半导体
1.本征半导体
本征半导体就是纯净的不含杂质的半导体。
常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）都是四价元素，正常情况下都是晶体。
在原子结构中，最外层轨道有四个价电子，如图1.1所示。
图1.1硅和锗的原子结构简化模型
大量的半导体原子集合到一起，各原子间形成有序的排列，相邻原子是以共价键的形式结合起来。
在绝对温度为零度（0K，相当于-273.15℃）时，由于每个价电子都被共价键束缚，不能自由移动。
这时，本征半导体是不导电的，相当于绝缘体。
如图1.2所示。
在室温下，本征半导体中的价电子从外界获取能量挣脱共价键束缚成为自由电子，同时在原来的位置上产生一个价电子空位，如图1.3所示。
这种电子空位形象地称为“空穴”。
故在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，称之为电子空穴对。
这一现象称为本征激发。
电子带负电，空穴带正电，统称为载流子。
本征激发出来的自由电子在运动过程中，也会再回到公价键位置上填补空穴，使电子空穴对消失，这一过程称之为复合。
图1.2本征半导体的晶体结构图
由于本征激发产生的电子空穴对数目很少，载流子浓度很低，所以导电性很弱。
图1.3本征激发产生电子空穴对示意图
2.杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的三价元素或五价元素，其导电能力将大大提高（提高几十万倍以上）。
称之为杂质半导体。
例如在本征半导体硅中掺入微量的五价元素磷，它用四个价电子与相邻四个硅原子组成共价键后，还剩余一个电子，这个电子不受共价键束缚，成为自由电子，如图1.4所示。
使掺入磷的硅半导体中，自由电子的数量大大多于空穴数量，电子成为多数载流子，简称多子，空穴成为少数载流子，简称少子。
由于这种杂质半导体主要靠自由电子进行导电，所以称为电子型半导体，简称N型半导体。
图1.4N型半导体的共价键结构图
在本征半导体硅中掺入微量的三价元素硼，由于硼原子只有三个价电子，当它与相邻的四个硅原子组成共价键时，就缺少一个价电子，形成一个空位。
这样，使掺入硼原子的硅半导体中，空穴的数量大大超过了自由电子的数量。
如图1.5所示。
空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
由于这种杂质半导体主要靠空穴进行导电，所以称为空穴型半导体，简称P型半导体。
图1.5P型半导体的共价键结构示意图
1.1.3PN结
1.PN结的形成
如果在一块硅晶体中，利用一定的掺杂工艺，分别在一边掺入三价元素硼，另一边掺入五价元素磷，半导体两边形成P型半导体和N型半导体，如图1.6（a）所示。
图1.6PN结的形成
由于左边P区的空穴浓度远大于右边N区，右边N区的电子浓度远大于左边P区，这种载流子的浓度差，必然引起各自的多子向对方扩散，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，又由于在扩散运动中载流子的复合作用，所以在交界面处形成了不能移动的正、负离子，P区留下了带负电的负离子，N区留下了带正电的正离子，形成了空间电荷区，建立了PN结电场。
方向由N区指向P区。
该电场随着扩散运动的进行而不断增强，既空间电荷区不断变宽。
我们称该电场为内电场。
内电场的建立会产生两方面的影响，一方面阻碍着多子扩散运动，另一方面会加强P区中的电子和N区中的空穴向对方漂移，当多子扩散运动和少子漂移运动达到动态平衡时，这个空间电荷区的宽度不再变化，这时的空间电荷区称为PN结，如图1.6（b）所示。
空间电荷区内也叫耗尽层或势垒层。
2.PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性。
（1）外加正向电压
当PN结外加正向电压时，即外电源的正极接P区，负极接N区，在半导体内形成了一个电场，称之为外加电场，方向由P区指向N区，如图1.7所示。
在外电场的作用下，P区的空穴和N区的电子向对方区域运动，当空穴与电子达到空间电荷区后，使P区中的负离子和N区中的正离子变少，空间电荷区变窄，削弱了内电场，破坏了原来的动态平衡，多数载流子的扩散运动加剧，形成较大的扩散电流。
在外电源作用下，使电流得以维持。
此时PN结处于导通状态。
导通时，PN结相当于一个较小的电阻。
（2）外加反向电压
当PN结外加反向电压时，即外电源的正极接N区，负极接P区，由于外电场与内电场方向一致，加强了内电场，如图1.8所示。
使P区中电子和N区中空穴向空间电荷区运动，破坏了原有的动态平衡,使PN结变宽，内电场加强，削弱了多数载流子的扩散运动，少数载流子的漂移运动加剧。
由于少数载流子的数目很少，最终形成的漂移电流很小，几乎为零，即加反向电压时PN结几乎不导电，此时PN结处于截止状态，截止时，PN结相当于一个很大的电阻。
PN结的反向电流是由本征激发产生的少数载流子形成的，通常称为反向饱和漏电流。
尽管它很小，但和温度相关，随温度的升高而增大。
温度每增加10℃，PN结反向电流增大一倍。
图1.7PN结加正向电压
图1.8PN结加反向电压
PN结外加正向电压时，有较大的电流通过，呈导通状态；外加反向电压时，几乎没有电流通过，呈截止状态。
这就是PN结的基本特性——单向导电性。
1.2晶体二极管
1.2.1晶体二极管的结构与种类
1.晶体二极管的结构和符号
二极管就是在PN结芯片的P区和N区加上相应的电极引线，再用外壳封装，就构成了晶体二极管，简称二极管。
其基本结构如图1.9（a）所示。
P区引出的电极为二极管的正极，N区的引出的电极为二极管的负极。
二极管通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，外壳上印有标记以便区分正负电极。
二极管的电路符号如图1.9（b）所示，箭头的一边是正极，另一边是负极，而箭头所指方向是电流流方向，通常用符号V表示二极管。
图1.9二极管结构与符号
（a）结构示意图（b）电路符号
2.二极管的种类
电子产品中有各种不同封装方式、各种种类的二极管，如图1.9所示。
。
图1.10常见二极管外形图
（1）按材料分
按材料分有硅二极管和锗二极管，由于材料不同，性能也不完全相同。
硅二极管的正向导通管压降是0.6～0.7V，锗二极管的正向导通管压降是0.2～0.3V。
而锗管的反向饱和漏电流比硅管大，锗管一般是十几到几百微安，而硅管在1微安以下。
（2）按结构工艺分
按结构工艺分有点接触型和面接触型。
点接触型的PN结面积小，只能承受很小的电流，一般用于高频的检波和开关管。
而面接触型的PN结面积较大，能承受比较大的正向电流和反向电压，且性能较为稳定，一般常用于低频整流电路中。
（3）按用途分
按用途分有普通二极管、整流二极管、开关二极管、稳压二极管、发光二极管、检波二极管、光电二极管、变容二极管等。
整流二极管主要用于整流电路中，利用PN结的单向导电性将通过二极管的交流点变成脉动的直流电。
通常是面接触型的硅管，有小功率、中功率、大功率三种，常见的整流二极管有2CZ和2DZ型。
稳压二极管是一种齐纳二极管。
其主要特性是当反向击穿时，反向电流突然增大，而二极管两端的电压基本保持不变。
反向电压小于击穿电压时，反向电流很小；反向电压接近击穿电压时，反向电流急剧增大，而电压基本不变。
电流在较大的范围内变化，二极管两端电压基本保持不变，从而起到了稳压的作用。
在直流稳压电源一章中还要详细讲解。
常见的稳压二极管有2CW和2DW型等。
使用稳压二极管时应注意，二极管的反向电流是不能无限增大的，否则将导致二极管的热击穿而烧毁，所以稳压管在电路中一般都串联有限流电阻。
1.2.2二极管的伏安特性
1.二极管的单向导电性
为了观察二极管的单向导电性，我们可以先做一个实验。
将二极管串接到由电池和指示灯组成的电路中，按图1.11所示。
实验表明：
当二极管正偏时，如图1.11（a）所示，即二极管的正极接电源正极，负极接电源负极，这时称二极管为正向偏置，有电流流过指示灯，指示灯亮，表明二极管的电阻很小，很容易导电；反之，二极管反偏时，如图1.11（b）所示，没有电流流过指示灯，指示灯不亮，表明此时二极管的电阻很大，反向几乎不导电。
说明在二极管两端施加正向电压时，二极管导通，施加反向电压时，二极管截止。
这种特性可用逆止水阀门来比喻，如图1.12所示。
这表明二极管具有单向导电性。
图1.11二极管的导电实验示意图
（a）实验电路一（b）实验电路二
图1.12用逆止水阀门比喻二极管示意图
（a）正向水流顶开阀门（b）反向水流压紧阀门
2.二极管的伏安特性
二极管的伏安特性曲线是指加在二极管两端的电压uD与流过二极管的电流iD的关系曲线。
获得二极管的伏安特性曲线可以用类似于数学中的“描点法”绘制出来。
具体方法是：
用如图1.13所示伏安特性测试原理电路，在二极管两端加一个电压，测得该电压下流过二极管的电流，把这一对电压和电流值对应在以二极管两端电压为横坐标，以二极管流过的电流为纵坐标的直角坐标中的某个点。
滑动变阻器RP的触点，改变加在二极管两端的电压，并测得相应的电流值，就可以在直角坐标系中得到足够的点，最后把这些点平滑地连接起来，就构成了二极管的伏安特性曲线。
如图1.14所示。
图1.13测试二极管伏安特性电路
（a）测正向伏安特性（b）测反向伏安特性
（1）正向特性正向伏安特性曲线指纵轴右侧部分，测试电路如图1.13（a）所示。
有两部分组成。
①．外加电压较小时，二极管呈现的电阻较大，正向电流几乎为零，曲线OA段称为不导通区或者死区。
一般硅二极管的死区电压约0.5V左右，锗二极管约0.2V左右。
②．正向电压uD超过死区电压时，PN结内电场几乎被抵消，二极管呈现的电阻很小，正向电流iD增长很快，二极管正向导通。
AB段特性曲线陡直，电压与电流的关系近似于线性，AB段称作导通区。
导通后，二极管两端的正向电压称为正向压降（或管压降），也近似认为是导通电压。
一般硅二极管约为0.7V左右，锗二极管为0.3V左右。
图1.14二极管的伏安特性曲线
（2）反向特性反向伏安特性曲线指纵轴左侧部分，其测试电路如图1.13（b）所示。
也有两部分组成。
①．当二极管承受反向电压时，加强了PN结的内电场，使二极管呈现很大电阻，此时仅有很小的反向电流IR。
如曲线OC段称为反向截止区，此处的IR称为反向饱和电流或反向漏电流。
实际应用中，此反向饱和电流值越小越好。
一般硅二极管的反向饱和电流在几十微安以下，锗二极管的则达几百微安，大功率二极管会稍大些。
②．反向击穿区当反向电压增大到超过某一个值时（图中C点），是反向特性曲线上一个拐点，反向电压稍有增大，反向电流急剧加大，这种现象叫反向击穿。
CD段称为反向击穿区，C点对应的电压就叫反向击穿电压UBR。
击穿后电流过大将会使管子损坏，因此除稳压管外，加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压。
3.二极管的主要参数
器件的参数是对器件特性的定量描述，是正确选用器件的依据。
器件的参数一般由厂家提供。
二极管的主要参数如下：
（1）最大整流电流IFM
IFM是指二极管长时间工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。
使用时，通过二极管的最大正向平均电流不能超过此值，否则会使PN结的结温超过额定值（锗管为80℃，硅管为150℃）而烧坏。
（2）最高反向工作电压URM
URM是指二极管工作时所能承受的最高反向电压。
使用时，二极管两端所加反向电压若超过此值，PN结中的反向电流将急剧增加，从而烧毁二极管。
一般厂家提供的反向工作电压为反向击穿电压的1/2或2/3，以保证二极管正常使用时不致于因反向工作电压过高而损坏。
（3）最大反向电流IRM
IRM是指二极管在室温（27℃）下，加最高反向工作电压UR时，流过二极管的反向电流。
这个电流的大小，反映二极管单向导电性能的好坏。
最大反向电流越小，表明二极管的单向导电性能越好。
硅管的IR很小，一般为1微安以下。
锗管的IR较大，一般为几微安到几百微安。
（4）最高工作频率fmax
fmax是指保证二极管正常工作时允许的最高工作频率。
使用时，通过二极管电流的频率不得超过最高工作频率，否则二极管将失去单向导电性。
（5）直流电阻（静态电阻）RD
RD为加在二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比。
用公式表示为：
（1.1）
RD可由二极管的伏安特性曲线求出，如图1.15所示。
二极管工作于Q点，UQ=0.6V，IQ=10mA，则RD=
值得注意的是：
RD不是一个恒定的值，随着工作点的变化而变化。
RD随工作电流的加大而减小。
用万用表测出的二极管的正、反向电阻是直流电阻RD。
正向电阻一般为几十欧姆至几百欧姆，反向电阻一般为几十千欧姆至几百千欧姆，硅二极管的RD更大。
正、反向电阻相差越大，二极管的单向导电性越好。
图1.15求直流电阻示意图
（6）交流电阻（动态电阻）rd
二极管在伏安特性曲线Q点的交流电阻rd等于该点附近电压的微小变量与电流的微小变量的比值，即：
rd=
（1.2）
如图1.16所示，过Q点作切线，在切线上任取两点A、B，查出这两点间的U和I，则Q点的交流电阻为：
rd也不是恒定的值，随工作点的变化而变化。
工作电流越大，rd越小，但工作点在线性区内变化时，可认为rd基本不变。
图1.16求交流电阻示意图
（7）极间电容Cj
二极管除了具有单向导电特性，还具有电容效应。
这个电容称为极间电容。
它是由PN结引起，所以也叫结电容。
它的大小决定了二极管最高工作频率。
结电容一般为几皮法至几十皮法。
二极管在高频状态下工作时，应考虑其影响，尽量选结电容小的二极管。
1.2.3二极管器件手册使用
二极管的类型非常多，从晶体管手册可以查找常用二极管的技术参数和使用资料，这些参数是正确使用二极管器件的依据。
一般晶体管器件手册包括以下基本内容：
器件型号、主要参数、主要用途、器件外形等。
表1.1列出了几种典型二极管技术参数。
表1.1几种典型二极管技术参数表
型号
最大整流电流IFM/mA
最高反向工作电压VRM/V
反向饱和电流IR/mA
最高工作频率fM/MHz
主要用途
2AP1
2CK84
2CP31
2CZ11D
16
100
250
1000
20
≥30
25
300
≤1
≤300
≤o.6
150
检波管
开关管
整流管
整流管
1.二极管型号
二极管品种很多，每种二极管都有一个型号，按照国家标准GB249—74的规定，国产二极管的型号由五部分组成。
第一部分是数字“2”，表示二极管。
第二部分是用拼音字母表示管子的材料，“A”为N型锗管，“B”为P型锗管；“C”为N型硅管，“D”为P型硅管。
第三部分是用拼音字母表示管子的类型，“P”为普通管，“z”为整流管，“K”为开关管，“W”为稳压管。
第四部分用数字表示器件的序号，序号不同的二极管其特性不同。
第五部分用拼音字母表示规格号，序号相同、规格号不同的二极管特性差别不大，只是某个或某几个参数有所不同。
表1.1中的2AP1是N型锗材料制成的普通二极管，2CZ11D是N型硅材料制成的整流管。
目前市面上更常见的是使用国外晶体管型号命名方法的二极管，如1N4001、1N4004、1N4148等，这类管子采用的是美国电子工业协会半导体器件的命名法，凡型号以“1N”开头的二极管都是美国制造的，或以美国专利在其它国家制造的产品，1N后面的数字表示该器件在美国电子工业协会登记的顺序号。
而在日本进口的彩色电视机、收录机中，二极管的型号则是以“1S”开头，如1S1885，第一部分“1”表示二极管，第二部分“S”表示日本电子工业协会注册产品，第三部分的数字表示在日本电子工业协会注册登记序号。
登记顺序号的数字越大，产品越新。
例1-1查表1.1可知，二极管2AP1的最大整流电流为16mA,最高反向电压（URM）为20V。
2CZ11D的最大整流电流为1000mA。
最高反向电压为300V。
注意：
一些大电流的二极管要求使用散热片，它的IFM是指带有规定散热片的条件下的数值，若散热片不符合要求或环境温度过高，实际工作电流要比IFM小得较多才能安全工作。
例1-2查表1.1可知，二极管2CP31的最高反向工作电压为25V，而反向击穿电压实际大于50V.
应该指出二极管反向饱和电流IRM又称反向漏电流，它指管子未进入击穿区的反向电流，其值一般很小，但和温度密切相关，温度升高，反向电流会呈指数规律增大。
通常锗二极管PN结温度达到80℃，硅管达到150℃以上时，会因反向电流急剧增加而造成热击穿，易出现永久性损坏，所以使用二极管时要注意温度的影响。
必须强调指出，二极管的PN结具有电容效应，随着工作频率的升高结电容的充放电的影响将加剧，它将影响PN结单向导电特性，所以，fm是保证管子正常工作的最高频率。
一般小电流二极管的fm高达几百MHz，而大电流的整流管仅几kHz.
2.二极管的选用
按材料分类，二极管主要有锗二极管和硅二极管两大类。
前者内部多为点接触型结构，允许的工作温度较低，只能在100℃以下工作；后者内部多为面接触型或平面型结构，允许的工作温度较高，有的可达150~200℃。
二极管的三种内部结构示意图见图1.17所示。
图1.17晶体二极管的内部结构示意图
（a）点接触型（b）面接触型（c）平面型
在电子设备中较常用的二极管有四类：
（1）普通二极管如2AP等系列，它的IFM较小，fM一般较高，主要用于信号检测、取样、小电流整流等。
（2）整流二极管如2CZ、2DZ等系列，它的IFM较大，fM很低，广泛使用在各种电源设备中作整流等。
（3）开关二极管如2AK、2CK等系列，一般IFM较小，fM较高，用于数字电路和控制电路中。
（4）稳压二极管如2CW、2DW等系列，用在各种稳压电源和晶闸管电路中。
1.2.4二极管的简易测量
使用晶体管图示仪可对二极管质量进行较准确的观测，但由于晶体管图示仪价格昂贵，体积笨重，搬动不方便，使用前还需要通电预热，因此在一般情况下多采用万用表来检查二极管的质量或判别正、负极。
将万用表拨到电阻的R×100或R×1K，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1.18（a）所示，而测得电阻比较小（几千欧姆以下），再将红、黑表笔对调后连接在二极管两端，如图1.18（b）所示，而测得的电阻比较大（几百千欧姆以下），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，表示管子内部已短路；如果测得二极管的正、反向电阻都很大，则表示管子内部已断路。
图1.18晶体二极管的测量
（a）测量正向电阻（b）测量反向电阻
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