1.1 晶体二极管的使用

学习目标：

① 了解半导体的基本知识，掌握二极管的单向导电性。

② 了解二极管的结构、符号，掌握普通二极管和稳压管的伏安特性、主要参数，能在实践中合理使用二极管。

③ 了解特殊二极管的外形、特征、功能和实际应用。

④ 能用万用表判别二极管的极性和质量的优劣。

晶体二极管简称二极管，是电子器件中最普通、最简单的一种，其种类繁多，应用广泛。全面了解、熟悉晶体二极管的结构、电路符号、引脚、伏安特性、主要参数，有助于对电路进行分析。认识各种二极管的外形特征，对它们有个初步的了解，并熟悉各类二极管的电路符号，有利于正确使用各种类型的晶体二极管。

1.1.1 半导体的基本知识

1．半导体及其特性

半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，它是目前组成电子电路中的基本元件。自然界中的物质，按其导电性能的不同可分为导体、绝缘体和半导体。而用来制造电子元器件的材料主要是半导体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）以及大多数金属氧化物和硫化物等。常用的半导体材料有硅和锗等。

用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度、光照的变化或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。主要体现在以下几个方面。

（1）热敏性

热敏性是指半导体的导电能力随着环境温度的升高而迅速增加。温度每上升1℃，半导体的电阻率都会下降百分之几到百分之几十，而一般的金属导体的电阻率变化则较小。根据半导体的热敏性，可以制成温度敏感元件，如热敏电阻等。

（2）光敏性

半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。某些半导体材料受到光照时，电阻率下降，导电能力增强，利用半导体的光敏特性，可制成光敏器件，如光敏电阻、光电二极管和光电晶体管等。

（3）杂敏性

在半导体中掺入微量其他元素称做掺杂。所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。所以利用半导体的这种特性，可以制造出各种不同用途的半导体器件，如晶闸管、二极管和场效应晶体管等。

2．本征半导体

本征半导体是完全纯净的（不含任何杂质）、具有晶体结构的半导体，如常用半导体材料硅（Si）和锗（Ge）。在常温下，其导电能力很弱；在环境温度升高或有光照时，其导电能力随之增强。

3．N型半导体和P型半导体

在本征半导体中，人为地、有选择性地掺入少量其他元素，可以提高半导体的导电能力。掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体，而掺入的杂质主要是三价或五价元素。根据掺入杂质性质的不同，分为N型半导体和P型半导体。

（1）N型半导体

在本征半导体中掺入微量五价元素（如磷、砷和锑等），就形成N型半导体。因为掺入的五价杂质原子中只有4个价电子能与邻近的半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的价电子在没有共价键的束缚下成为自由电子，此时自由电子的浓度增加。因此，N型半导体自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。半导体以自由电子导电为主，所以也称N型半导体为电子型半导体，其结构示意图如图1-1所示。

（2）P型半导体

在本征半导体中掺入微量三价元素（如硼、镓）时，就形成P型半导体。因为掺入的三价杂质原子中只有3个价电子能与邻近的半导体原子中的价电子形成共价键，缺少一个价电子在共价键中产生一个空穴，此时空穴的浓度要比电子的浓度大，空穴为多数载流子，电子则为少数载流子。半导体主要以空穴导电为主，所以又称空穴型半导体，其结构示意图如图1-2所示。

由以上分析可知，由于杂质的掺入，使得N型半导体和P型半导体的导电能力较本征半导体有极大的增强。但是，掺入杂质的目的不是单纯为了提高半导体的导电能力，而是想通过控制杂质掺入量的多少，来控制半导体导电能力的强弱。

4．PN结

1）PN结的形成

采用特定的工艺把P型半导体和N型半导体做在同一个基片上，在两种半导体的交界面上，形成一个特殊的薄层，这个薄层就是PN结。由于交界面两侧的载流子浓度存在差异，就会使载流子从高浓度区向低浓度区作扩散运动，如图1-3所示。P型半导体中的多数载流子—空穴向N型半导体中扩散，并与N区中的自由电子复合而消失；N型半导体中的多数载流子—自由电子向P型半导体中扩散，并与P区中的空穴复合而消失，致使在交界面的两侧留下了不能移动的正负离子，形成了空间电荷区，也被称为PN结，如图1-4所示。

空间电荷区形成了一个内电场，电场的方向由N区指向P区，如图1-4所示。内电场能阻止多数载流子的扩散运动，即阻止P区的空穴向N区扩散和N区的自由电子向P区扩散。同时，内电场将推动少数载流子作漂移运动，即推动P区的自由电子流向N区和N区的空穴流向P区运动。

随着扩散运动的进行，空间电荷区逐渐变宽，内电场不断增强，扩散运动逐渐减弱，漂移运动不断加强。最后，扩散运动和漂移运动达到了动态平衡，此时PN结的宽度处于稳定状态。

2）PN结的单向导电性

（1）PN结外加正向电压（正向偏置）

在PN结上加正向电压（即P区接电源的正极，N区接电源的负极）时，外加电场与内电场方向相反，使空间电荷区变窄，内电场削弱，扩散运动大大超过了漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的扩散电流，如图1-5所示。这时PN结处于导通状态，通过的正向电流较大，PN结呈现的正向电阻很小。

（2）PN结外加反向电压（反向偏置）

在PN结上加反向电压（即N区接电源的正极，P区接电源的负极）时，外加电场与内电场方向相同，使空间电荷区变宽，内电场增强，多数载流子的扩散运动受到阻碍，而少数载流子的漂移运动得到加强，形成了较大的反向电流，如图1-6所示。由于少数载流子的数目有限，反向电流弱小，PN结呈现出高阻性，此时PN结处于反向截止状态。

1.1.2 晶体二极管的结构、类型及符号

1．晶体二极管的结构和符号

在一个PN结的两端各加一个电极引线，再用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，也称晶体二极管，简称二极管。由P区引出的电极叫做正极（或阳极），由N区引出的电极叫做负极（或阴极），如图1-7（a）所示为二极管的图形符号。

二极管按其材料不同，分为硅管和锗管；按其用途不同，可分为普通管、稳压管、整流管等；按其结构不同，又可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管的PN结结面积小、结电容小，不能承受高的反向电压和大电流，但由于高频性能好，因而适用于检波和高频电路或脉冲数字电路中的开关元件，以及作为小电流的整流管。其结构如图1-7（b）所示。

面接触型的二极管如图1-7（c）所示，PN结结面积大、结电容大，可以承受较大的正向电流，但它的工作频率较低，所以只适用于工频大电流整流电路。图1-7（d）所示为硅工艺平面型二极管的结构图，用于集成电路制作工艺中，其PN结结面积可大可小，一般用于大功率整流和开关电路中。

2．晶体二极管的类型

晶体二极管的种类和型号很多，我们用不同的符号来代表它们。例如2AP9，其中，“2”表示二极管，“A”表示采用N型锗材料为基片，“P”表示普通用途管（P为汉语拼音字头），“9”为产品性能序号；又如2CZ8，其中，“C”表示由N型硅材料作为基片，“Z”表示整流管。国产二极管的型号命名方法见表1-1。

1.1.3 晶体二极管的特性

由于晶体二极管的管芯是由一个PN结构成的，所以具有了PN结的单向导电性。晶体二极管两端在外加电压的作用下，管中的电流随之变化的曲线称为二极管的伏安特性曲线，如图1-8所示，它可分为正向特性和反向特性两部分。

1．正向特性

当二极管处于正向特性区域（二极管两端所加的电压U＞0），二极管的正向特性曲线分为正向死区和正向导通区。

（1）正向死区

如图1-8中OA（OA′）段称为死区。当二极管两端所加的正向电压u较小时，正向电流很小，趋近于零，此时二极管截止，呈高阻态。当正向电压超过某一数值后，二极管中有了明显的正向电流，二极管导通，该电压值称为死区电压。通常，硅管的死区电压为0.5V左右，锗管的死区电压为0.1～0.2V。

（2）正向导通区

当外加的正向电压大于死区电压时，正向电流随着正向电压升高而迅速变大，二极管呈现很小的电阻，此时二极管处于正向导通状态，如图1-8中AB（A′B′）段为导通区。二极管导通后，两端电压降基本保持不变，该压降值称为正向压降（或管压降），常温下硅管正向压降为0.6～0.7V，锗管正向压降为0.2～0.3V。

2．反向特性

当二极管处于反向特性区域（二极管两端所加的电压U＜0），二极管的反向特性曲线分为反向截止区和反向击穿区。

（1）反向截止区

如图1-8中OC（OC′）段为反向截止区。当二极管两端加反向电压时，反向电流很小，而且在一定范围内基本恒定，所以称此电流为反向饱和电流。而二极管处于反向截止状态，故称此区域为反向截止区。

（2）反向击穿区

当反向电压大到一定数值（UBR）时，反向电流会急剧增大，如图1-8中CD（C′D′）段，此时二极管将失去单向导电性，这种现象称为反向击穿，产生的击穿电压UBR叫反向击穿电压。一般情况下，二极管是不允许出现这种现象的（稳压二极管除外），因为击穿后电流过大，会造成对二极管的永久性损坏。

从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。

有时为了讨论方便，在一定条件下，可以把二极管的伏安特性理想化，即认为二极管的死区电压和导通电压都等于零，这样的二极管称为理想二极管。

3．晶体二极管的主要参数

晶体二极管的特性除了用伏安特性曲线来表示外，还可用它的参数来描述。各种参数都可从半导体器件手册中查出，下面只介绍晶体二极管几个常用的参数。

（1）最大整流电流IF

最大整流电流是指晶体二极管长时间工作时，允许流过晶体二极管的最大正向平均电流。使用时当电流超过这个允许值时，晶体二极管会因过热而烧坏。

（2）最大反向工作电压URM（反向工作峰值电压）

URM指晶体二极管正常工作时允许外加的最高反向电压。选用晶体二极管时，管子的反向工作电压绝对不能超过此值，以免晶体二极管因反向击穿而损坏。晶体二极管最高反向电压一般取反向击穿电压的一半。

（3）反向峰值电流IRM

它是指晶体二极管在承受最大反向工作电压时的反向电流值。反向电流值越小，说明单向导电性能越好，而且反向电流值很容易受温度的影响，温度升高时，电流值会迅速增大。

1.1.4 特殊晶体二极管

1．稳压管

稳压管是一种特殊的面接触型的硅二极管。它的伏安特性曲线和符号如图1-9所示。稳压管正常工作于反向击穿区，当反向电流在较大的范围内变化时，稳压管两端的电压变化微小，所以能起到稳压的作用。当然，反向电流不能过大，如果超过其最大稳定电流，管子很容易被热击穿损坏，故在使用中，一般选用合适的限流电阻与稳压管串联。

稳压管的主要参数有以下几个。

（1）稳定电压UZ

稳定电压是指稳压管正常工作在反向击穿时的电压稳定值。由于制造工艺和其他方面的原因，它的稳压值具有一定的分散性，即便是同一型号稳压管的稳压值也可能略有不同。

（2）稳定电流IZ

稳定电流是指稳压管正常稳压时的参考电流。一般将稳压管的工作电流控制在IZmin～IZmax范围内，若工作电流小于IZmin，稳压管不能起到稳压的作用；若工作电流大于IZmax，则稳压管会因为过热击穿而损坏。

（3）动态电阻rZ

动态电阻是指稳压管在稳压范围内，其两端电压的变化量与相应电流变化量的比值，即

稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。

（4）最大允许耗散功率PZM

最大允许耗散功率是指管子不致发生热击穿的最大功率损耗，即

稳压管在电路中的主要作用是稳压和限幅，也可和其他电路配合构成欠压或过压保护、报警环节等。

2．光电二极管

光电二极管又称光敏二极管，它是将光能转换为电能的半导体器件。光电二极管在反向偏置下并有光线照射时，光电二极管导通；没有光线照射时，光电二极管不导通。其电路符号及实物外形如图1-10所示。

判别光电二极管的好坏可用万用表的R×1k挡，要求无光照时电阻要大，有光照时电阻要小；若有光照和无光照时电阻差别很小，则表明光电二极管质量不好。

3．发光二极管

发光二极管简称为LED，其工作原理与光电二极管相反。由于它采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制成，所以在通过正向电流时，由于电子与空穴的直接复合而释放出光来。LED发光的颜色与材料有关。图1-11（a）和图1-11（b）所示为发光二极管的实物外形和符号。

当发光二极管正向偏置时，其发光强度随正向电流的增大而增大。为限制其工作电流，通常都要在电路中串接限流电阻R，如图1-11（c）所示。发光二极管具有体积小、功耗低、寿命长、外形美观、适应性能强等特点，广泛用于仪器、仪表、电器设备中做电源信号指示，音响设备调谐和电平指示，广告显示屏的文字、图形、符号显示等。

典型例题分析

【例题1-1】图1-12所示电路中，设晶体二极管正向导通压降为0.7V，试判电路中晶体二极管是导通还是截止，并确定各电路的输出电压UO。

【解题思路】判断晶体二极管在电路中的状态，通常采用的方法是：先假设二极管断开，然后分析二极管正极与负极之间承受的电压。如果该电压为正向电压且大于导通电压，则可判断该二极管处于正向偏置而导通，两端的实际电压为二极管的导通压降0.7V；如果二极管两端所加的是反向电压或正向电压低于0.5V，则可判断该二极管处于截止状态，在电路中等效于开路的元件。

【解题结果】（a）二极管VD反偏截止，UO=12V。

（b）二极管VD正偏导通，UO=-0.7V-12V=-12.7V。

【例题1-2】稳压管与普通二极管比较，特性上的主要差异是什么？

【解题思路】普通二极管是利用单向导电性来实现开关作用，而稳压管主要起稳压作用，功能不同决定其特性不同。因此，本例题应从功能要求为基点来分析其特性差异。

【解题结果】稳压管的外形和正向特性与普通二极管相似，只是反向击穿特性不同。

（1）反向击穿后，稳压管的特性曲线比一般二极管陡直，反向电流急剧变化，但反向管压降基本保持不变，稳压管正是利用反向击穿时的这种特性进行稳压的。由于它的稳压性能良好，所以把它经电阻接到整流电路的输出端，能克服电网电压的波动和负载变化的影响，起稳定电压的作用。

（2）在反向击穿情况下，普通二极管会损坏，而稳压管却应工作在反向击穿区域，由于稳压管是特殊工艺制造的硅二极管，只要反向电流不超过极限电流，管子工作在击穿区并不会损坏，属可逆击穿。

1.1.5 实训项目：使用万用表测量二极管

1．技能目标

① 能正确使用万用表判别二极管极性。

② 能正确使用万用表判别二极管的质量优劣。

2．工具、元件和仪器

① MF-47型万用表。

② 各类晶体二极管。

3．相关知识

（1）使用万用表判别二极管极性

有的二极管从外壳的形状上可以区分电极；有的二极管的极性用二极管符号印在外壳上，箭头指向的一端为负极；还有的二极管用色环或色点来标识（靠近色环的一端是负极，有色点的一端是正极）。若标识脱落，可用万用表测其正反向电阻值来确定二极管的极性。测量时把万用表置于R×100挡或R×1k挡，不可用R×1挡或R×10k挡，前者电流太大，后者电压太高，有可能对二极管造成不利的影响。用万用表的黑表笔和红表笔分别与二极管两极相连。若测得电阻较小，与黑表笔相接的极为二极管正极，与红表笔相接的极为二极管负极；若测得电阻很大，与红表笔相接的极为二极管正极，与黑表笔相接的极为二极管负极。测量方法如图1-13所示。

（2）判别二极管的优劣

二极管正、反向电阻的测量值相差越大越好，一般二极管的正向电阻测量值为几百欧，反向电阻为几十千欧到几百千欧。如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路；若测量值均为零，则说明内部短路；若测得正、反向电阻几乎一样大，这样的二极管已经失去单向导电性，没有使用价值了。

一般来说，硅二极管的正向电阻为几百到几千欧，锗管小于1kΩ，因此，如果正向电阻较小，基本上可以认为是锗管。若要更准确地知道二极管的材料，可将管子接入正偏电路中测其导通压降，若压降为0.6～0.7V，则是硅管；若压降为0.2～0.3V，则是锗管。当然，利用数字万用表的二极管挡，也可以很方便地知道二极管的材料。

4．实训步骤

① 按二极管的编号顺序逐个从外表标识判断各二极管的正负极，将结果填入表1-2中。

② 再用万用表逐次检测二极管的极性，并将检测结果填入表1-2中。

5．实训项目考核评价

完成实训项目，填写表1-3所列考核评价表。