第4章 二极管的应用与检测
4.1 二极管的特点与功能应用
4.1.1 二极管的种类特点
二极管是一种常用的半导体器件。二极管种类有很多，根据实际功能的不同，常见的二极管主要有整流二极管、发光二极管、稳压二极管、光电二极管、检波二极管、变容二极管、双向触发二极管等。
1.整流二极管
整流二极管的电路符号为“
”，是一种具有整流作用的二极管，可将交流整流成直流，主要用于整流电路中。图4-1所示为整流二极管的实物外形。
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整流二极管的外壳封装常采用金属壳封装、塑料封装和玻璃封装三种形式。由于整流二极管的正向电流较大，所以整流二极管多为面接触型二极管，结面积大、结电容大，但工作频率较低。
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面接触型二极管是指其内部PN结采用合金法或扩散法制成的二极管，如图4-2所示。由于这种制作工艺的PN结面积较大，所以能通过较大的电流。但其工作频率较低，故常用作整流器件。
图4-1 整流二极管的实物外形
图4-2 面接触型二极管内部结构
相对PN结面积较大的面接触型二极管而言，还有一种PN结面积较小的点接触型二极管，它是由一根很细的金属丝与一块N型半导体晶片的表面接触，使触点和半导体牢固的熔接而构成PN结。这样制成的PN结面积很小，只能通过较小的电流，承受较低的反向电压，但其高频特性好。因此点接触型二极管主要用于高频和小功率的电路，或用作数字电路中的开关元件。
2.发光二极管
发光二极管是指在工作时能够发光的二极管，简称LED，其电路符号为“
”。常用于显示器件或光电控制电路中的光源。图4-3这是典型发光二极管的实物外形。
图4-3 发光二极管的实物外形
要点说明
这种二极管是一种利用正向偏置时PN结两侧的多数载流子直接复合释放出光能的发射器件。通常，由元素周期表中的Ⅲ族和Ⅴ族元素的化合物砷化镓、磷化镓等制成。
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采用不同材料制成的发光二极管可以发出不同颜色的光，常见的有红光、黄光、绿光、橙光等。
发光二极管在正常工作时，处于正向偏置状态，在正向电流达到一定值时就发光。具有工作电压低、工作电流很小、抗冲击和抗振性能好、可靠性高、寿命长等特点。
除这些单色发光二极管外，还有可以发出两种颜色光的双向变色二极管和三色发光二极管，三色发光二极管能够发出红色、绿色和蓝色三种颜色的光，其实物外形如图4-4所示。
图4-4 三色发光二极管实物外形
3.稳压二极管
稳压二极管常用的电路符号为“
”或“
”，是由硅材料制成的面结合型二极管，利用PN结反向击穿时，其两端电压固定在某一数值，基本上不随电流大小变化而变化的特点来进行工作的，因此可达到稳压的目的。这里的反向击穿状态是正常工作状态并不损坏二极管。图4-5所示为典型稳压二极管的实物外形。
从外形上看，稳压二极管与普通小功率整流二极管相似，主要有塑料封装、金属封装和玻璃封装三种封装形式。
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半导体器件中，PN结具有正向导通，反向截止的特性。但对于稳压二极管来说，若反向加入电压较高，该电压足以使其内部PN结反方向也导通，这个电压称为击穿电压。
图4-5 稳压二极管的实物外形
在实际应用中，当加在稳压二极管上的反向电压临近击穿电压时，二极管的反向电流急剧增大，将发生击穿。这时电流在很大范围内改变时，管子两端电压基本保持不变，起到稳定电压的作用，其特性与普通二极管不同。
值得注意的是，稳压二极管在电路上应用时应串联限流电阻，即必须限制反向通过的电流，不能让稳压二极管击穿后电流无限增长，否则将立即被烧毁。
4.光电二极管
光电二极管又称为光敏二极管，它的电路符号为“
”。光电二极管的特点是当受到光照射时，二极管反向阻抗会随之变化（随着光照射的增强，反向阻抗会由大到小）。利用这一特性，光电二极管常作为光电传感器件使用。图4-6所示为典型光电二极管的实物外形。
5.检波二极管
检波二极管是利用二极管的单向导电性，再与滤波电容配合，可以把叠加在高频载波上的低频信号检出来的器件，其电路符号为“
”。这种二极管具有较高的检波效率和良好的频率特性，常用在收音机的检波电路中。
图4-6 光电二极管的实物外形
图4-7所示为检波二极管的实物外形。该类二极管多采用塑料、玻璃或陶瓷外壳，以保证良好的高频特性。
图4-7 检波二极管的实物外形
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检波效率是检波二极管的特殊参数，它是指在检波二极管输出电路电阻负载上产生的直流输出电压与加于输入端的正弦交流信号电压峰值之比的百分数。
6.变容二极管
变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性半导体器件，在电路中起电容器的作用，被广泛地用于超高频电路中的参量放大器、电子调谐及倍频器等高频和微波电路中，其电路符号为“
”或“
”。图4-8所示为典型变容二极管的实物外形。
图4-8 变容二极管的实物外形
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变容二极管是利用PN结空间能保持电荷具有电容器特性的原理制成的特殊二极管，该二极管两极之间的电容量为3～50pF，实际上是一个电压控制的微调电容，主要用于调谐电路。
7.双向触发二极管
双向触发二极管又称为二端交流器件（简称DIAC），其电路符号为“
”。它是一种具有三层结构的对称两端半导体器件，常用来触发晶闸管，或用于过压电保护、定时、移相电路。图4-9所示为典型双向触发二极管的实物外形。
图4-9 双向触发二极管的实物外形
4.1.2 电感器的功能应用
1.二极管的整流功能
二极管具有单向导电特性，因此可以利用二极管组成整流电路，将原本交变的交流电压信号整流成同相脉动的直流电压信号，变换后的波形小于变换前的波形。图4-10所示为整流二极管构成的整流电路。
半波整流电路中的二极管，由于二极管具有单向导电特性，在交流输入电压处于正半周时，二极管导通；在交流电压负半周时，二极管截止，因而交流电经二极管VD整流后就变为脉动直流电压（缺少半个周期），然后再经RC滤波即可得到比较稳定的直流电压。
全波整流电路中的二极管，在该电路中，变压器二次绕组分别连接了两个整流二极管。变压器二次绕组以中间抽头为基准组成上下两个半波整流电路。依据二极管的功能特性，VD1对交流电正半周电压进行整流；二极管VD2负半周的电压进行整流，这样最后得到两个半波整流合成的电流，称为全波整流。
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整流二极管的整流作用是利用了二极管的单向导通、反向截止的特性。可以打个比方，将整流二极管想象成为一个只能单方向打开的闸门，将交流电流看作不同流向的水流，如图4-11所示。
交流是电流交替变化的电流，如水流推动水车一样，交变的水流会使水车正向、反向交替运转，如图4-11a所示。在水流的通道中设一闸门，正向水流时闸门打开，水流推动水车运转。如果水流反向流动时闸门自动关闭，如图4-11b所示。水不能反向流动，水车也不会反转。这样的系统中水只能正向流动，这就是整流的功能。
图4-10 整流二极管构成的整流电路
图4-11 整流二极管的工作原理示意图
2.二极管的稳压功能
稳压二极管是利用二极管反向击穿特性而制造的稳压器件，当给二极管外加的反向电压达一定值时，二极管将反向击穿，电流激增。但此时二极管并没有损坏，而且两极之间保持恒定的电压，不同的稳压二极管具有不同的稳压值。图4-12所示为由稳压二极管构成的稳压电路。
图4-12 稳压二极管的稳压特性
稳压二极管VDZ负极接外加电压的高端，正极接外加电压的低端。当稳压二极管VDZ反向电压接近稳压二极管VDZ的击穿电压值（5V）时，电流急剧增大，稳压二极管VDZ呈击穿状态。在该状态下稳压二极管两端的电压保持不变（5V），从而实现稳定直流电压的功能。
3.二极管的检波功能
检波功能是指能够将调制在高频信号上的低频包络信号检出来的功能。检波二极管是为实现这种功能而制作的。图4-13所示为由检波二极管构成的检波电路。
图4-13 检波二极管的检波功能
在该电路中，VD为检波二极管。第二中放输出的调幅波加到检波二极管VD负极，由于检波二极管具有单向导电特性，其负半周调幅波通过检波二极管，正半周被截止，输出的调幅波只有负半周。负半周的调幅波再由RC滤波器滤除其中的高频成分，输出其中的低频成分，输出的就是调制在载波上的包络信号，即音频信号，这个过程称为检波。