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二极管

   几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体二极管,它在许多的电路中起着重要的作用,它是诞生最早的半导体器件之一,其应用也非常广泛。
   一、二极管的工作原理
   晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电场平衡状态。当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时,p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。

   二、二极管的类型
   二极管种类有很多,按照所用的半导体材料,可分为锗二极管(Ge管)和硅二极管(Si管)。根据其不同用途,可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构,又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面,通以脉冲电流,使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起,形成一个“PN结”。由于是点接触,只允许通过较小的电流(不超过几十毫安),适用于高频小电流电路,如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大,允许通过较大的电流(几安到几十安),主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管,它不仅能通过较大的电流,而且性能稳定可靠,多用于开关、脉冲及高频电路中。

   三、二极管的导电特性
   二极管最主要的特性是单向导电性,其伏安特性曲线如图1所示,
 
图1、二极管的伏安特性曲线
   1) 正向特性
另在二极管两端的正向电压(P为正、N为负)很小时(锗管小于0.1伏,硅管小于0.5伏),管子不导通处于“死区”状态,当正向电压起过一定数值后,管子才导通,电压再稍微增大,电流急剧暗加(见曲线I段)。不同材料的二极管,起始电压不同,硅管为0.5-.7伏左右,锗管为0.1-0.3左右。
   2) 反向特性
二极管两端加上反向电压时,反向电流很小,当反向电压逐渐增加时,反向电流基本保持不变,这时的电流称为反向饱和电流(见曲线II段)。不同材料的二极管,反向电流大小不同,硅管约为1微安到几十微安,锗管则可高达数百微安,另外,反向电流受温度变化的影响很大,锗管的稳定性比硅管差。
   3) 击穿特性
   当反向电压增加到某一数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿(见曲线III)。这时的反向电压称为反向击穿电压,不同结构、工艺和材料制成的管子,其反向击穿电压值差异很大,可由1伏到几百伏,甚至高达数千伏。
   4) 频率特性
   由于结电容的存在,当频率高到某一程度时,容抗小到使PN结短路。导致二极管失去单向导电性,不能工作,  PN结面积越大,结电容也越大,越不能在高频情况下工作。
   四、二极管的简易测试方法
   二极管的极性通常在管壳上注有标记,如无标记,可用万用表电阻档测量其正反向电阻来判断(一般用R×100或×1K档)具体方法如表一

   表一  二极管简易测试方法
   项目 正向电阻 反向电阻
   测试方法   
   测试情况 硅管:表针指示位置在中间或中间偏右一点;锗管:表针指示在右端靠近满刻度的地方(如图所示)表明管子正向特性是好的。如果表针在左端不动,则管子内部已经断路 硅管:表针在左端基本不动,极靠近OO位置,锗管:表针从左端起动一点,但不应超过满刻度的1/4(如上图所示),则表明反向特性是好的,如果表针指在0位,则管子内部已短路

   五、二极管的主要参数
   1) 正向电流IF
   在额定功率下,允许通过二极管的电流值。
   2) 正向电压降VF
   二极管通过额定正向电流时,在两极间所产生的电压降。
    3) 最大整流电流(平均值)IOM
   在半波整流连续工作的情况下,允许的最大半波电流的平均值。
   4) 反向击穿电压VB
   二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值。
   5) 反向峰值电压VRM
   二极管正常工作时所允许的反向电压峰值,通常VRM为VB的三分之二或略小一些。
   6) 反向电流IR
   在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值
   7) 结电容C
   结电容包括电容和扩散电容,在高频场合下使用时,要求结电容小于某一规定数值。
   8) 最高工作频率fm
   二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。
   六、常用晶体二极管 
   1) 整流二极管
   原理而言,从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流大于100mA的叫整流。面结型,工作频率小于KHz,最高反向电压从25伏至3000伏分A~X共22档。分类如下:①硅半导体整流二极管2CZ型、②硅桥式整流器QL型、③用于电视机高压硅堆工作频率近100KHz的2CLG型
将交流电源整流成为直流电流的二极管叫作整流二极管,它是面结触型的功率器件,因结电容大,故工作频率低。
   通常,IF在1安以上的二极管采用金属壳封装,以利于散热;IF在1安以下的采用全塑料封装。由于近代工艺技术不断提高,国外出现了不少较大功率的管子,也采用塑封形式。

   2) 检波二极管
   就原理而言,从输入信号中取出调制信号是检波,以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达400MHz,正向压降小,结电容小,检波效率高,频率特性好,为2AP型。类似点触型那样检波用的二极管,除用于检波外,还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。
检波二极管是用于把迭加在高频载波上的低频信号检出来的器件,它具有较高的检波效率和良好的频率特性。
   3)开关二极管
   在脉冲数字电路中,用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管,它的特点是反向恢复时间短,能满足高频和超高频应用的需要。
   开关二极管有点接触型,平面型和扩散台面型几种,一般IF<500毫安的硅开关二极管,多采用全密封环氧树脂,陶瓷片状封装,如图三所示,引脚较长的一端为正极。
 


   图3、硅开关二极管全密封环环氧树脂陶瓷片状封装
   5) 稳压二极管
   稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管,它是利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点,来达到稳压的目的,因为它能在电路中起稳压作用,故称为稳压二极管(简称稳压管)其图形符号见图4


   图4、稳压二极管的图形符号
   稳压管的伏安特性曲线如图5所示,当反向电压达到Vz时,即使电压有一微小的增加,反向电流亦会猛增(反向击穿曲线很徒直)这时,二极管处于击穿状态,如果把击穿电流限制在一定的范围内,管子就可以长时间在反向击穿状态下稳定工作。
 
   图5、硅稳压管伏安特性曲线

   二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中,电流只能从二极管的正极流入,负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。

   a. 正向特性
   在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”,锗管约为0.2V,硅管约为0.6V)以后,二极管才能真正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V,硅管约为0.7V),称为二极管的“正向压降”。
   b. 反向特性
   在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态称为二极管的击穿。

资料整理周英刚

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