第5章　二极管

5.1　二极管

5.1.1　半导体

导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体，常见的半导体材料有硅、锗和硒等。利用半导体材料可以制作各种各样的半导体元器件，如二极管、三极管、场效应管和晶闸管等都是由半导体材料制作而成的。

（1）半导体的特性

半导体的主要特性有以下几项。

① 掺杂性。当往纯净的半导体中掺入少量某些物质时，半导体的导电性就会大大增强。二极管、三极管就是用掺入杂质的半导体制成的。

② 热敏性。当温度上升时，半导体的导电能力会增强，利用该特性可以将某些半导体制成热敏器件。

③ 光敏性。当有光线照射半导体时，半导体的导电能力也会显著增强，利用该特性可以将某些半导体制成光敏器件。

（2）半导体的类型

半导体主要有三种类型：本征半导体、N型半导体和P型半导体。

① 本征半导体。纯净的半导体称为本征半导体，它的导电能力是很弱的，在纯净的半导体中掺入杂质后，导电能力会大大增强。

② N型半导体。在纯净半导体中掺入五价杂质（原子核最外层有五个电子的物质，如磷、砷和锑等）后，半导体中会有大量带负电荷的电子（因为半导体原子核最外层一般只有四个电子，所以可理解为当掺入五价元素后，半导体中的电子数偏多），这种电子偏多的半导体称为“N型半导体”。

③ P型半导体。在纯净半导体中掺入三价杂质（如硼、铝和镓）后，半导体中电子偏少，有大量的空穴（可以看作正电荷）产生，这种空穴偏多的半导体称为“P型半导体”。

5.1.2　二极管

（1）构成

当P型半导体（含有大量的正电荷）和N型半导体（含有大量的电子）结合在一起时，P型半导体中的正电荷向N型半导体中扩散，N型半导体中的电子向P型半导体中扩散，于是在P型半导体和N型半导体中间就形成一个特殊的薄层，这个薄层称为PN结，该过程如图5-1所示。

从含有PN结的P型半导体和N型半导体两端各引出一个电极并封装起来就构成了二极管，与P型半导体连接的电极称为正极（或阳极），用“+”或“A”表示，与N型半导体连接的电极称为负极（或阴极），用“-”或“K”表示。

（2）结构、符号和外形

二极管内部结构、电路符号和实物外形如图5-2所示。

（3）性质

① 性质说明　下面通过分析图5-3中的两个电路来说明二极管的性质。

② 伏安特性曲线　在电子工程技术中，常采用伏安特性曲线来说明元器件的性质。伏安特性曲线又称电压电流特性曲线，它用来说明元器件两端电压与通过电流的变化规律。

二极管的伏安特性曲线用来说明加到二极管两端的电压U与通过电流I之间的关系。二极管的伏安特性曲线如图5-4（a）所示，图5-4（b）、（c）则是为解释伏安特性曲线而画的电路。

（4）主要参数

二极管的主要参数如下。

① 最大整流电流IF　二极管长时间使用时允许流过的最大正向平均电流称为最大整流电流，或称作二极管的额定工作电流。当流过二极管的电流大于最大整流电流时，容易被烧坏。二极管的最大整流电流与PN结面积、散热条件有关。PN结面积大的面接触型二极管的IF大，点接触型二极管的IF小；金属封装二极管的IF大，而塑封二极管的IF小。

② 最高反向工作电压UR　最高反向工作电压是指二极管正常工作时两端能承受的最高反向电压。最高反向工作电压一般为反向击穿电压的一半。在高压电路中需要采用UR大的二极管，否则二极管易被击穿损坏。

③ 最大反向电流IR　最大反向电流是指二极管两端加最高反向工作电压时流过的反向电流。该值越小，表明二极管的单向导电性越佳。

④ 最高工作频率fM　最高工作频率是指二极管在正常工作条件下的最高频率。如果加给二极管的信号频率高于该频率，二极管将不能正常工作，fM的大小通常与二极管的PN结面积有关，PN结面积越大，fM 越低，故点接触型二极管的fM 较高，而面接触型二极管的fM 较低。

（5）极性判别

二极管引脚有正、负之分，如果在电路中乱接，轻则不能正常工作，重则会损坏。二极管极性判别可采用下面一些方法。

① 根据标注或外形判断极性　为了让人们更好地区分出二极管正、负极，有些二极管会在表面作一定的标志来指示正、负极，有些特殊的二极管，从外形也可找出正、负极。

在图5-5中，左上方的二极管表面标有二极管符号，其中三角形端对应的电极为正极，另一端为负极；左下方的二极管标有白色圆环的一端为负极；右方的二极管金属螺栓为负极，另一端为正极。

② 用指针万用表判断极性　对于没有标注极性或无明显外形特征的二极管，可用指针万用表的欧姆挡来判断极性。万用表拨至R×100Ω或R×1kΩ挡，测量二极管两个引脚之间的阻值，正、反各测一次，会出现阻值一大一小，如图5-6 所示，以阻值小的一次为准，见图5-6（a），黑表笔接的为二极管的正极，红表笔接的为二极管的负极。

③ 用数字万用表判断极性　数字万用表与指针万用表一样，也有欧姆挡，但由于两者测量原理不同，数字万用表欧姆挡无法判断二极管的正、负极（数字万用表测量正、反向电阻时阻值都显示无穷大符号“1”），不过数字万用表有一个二极管专用测量挡，可以用该挡来判断二极管的极性。用数字万用表判断二极管的极性如图5-7所示。

在检测判断时，数字万用表拨至“”挡（二极管测量专用挡），然后红、黑表笔分别接被测二极管的两极，正反各测一次，测量会出现一次显示“1”，如图5-7（a）所示，另一次显示100～800之间的数字，如图5-7（b）所示，以显示100～800之间数字的那次测量为准，红表笔接的为二极管的正极，黑表笔接的为二极管的负极。在图5-7中，显示“1”表示二极管未导通，显示“585”表示二极管已导通，并且二极管当前的导通电压为585mV（即0.585V）。

（6）常见故障及检测

二极管常见故障有开路、短路和性能不良。

在检测二极管时，万用表拨至R×1kΩ挡，测量二极管正、反向电阻，测量方法与极性判断相同，可参见图5-6。正常锗材料二极管正向阻值在1kΩ左右，反向阻值在500kΩ以上；正常硅材料二极管正向电阻在1～10kΩ，反向电阻为无穷大（注：不同型号万用表测量值略有差距）。也就是说，正常二极管的正向电阻小、反向电阻很大。

若测得二极管正、反电阻均为0，说明二极管短路。

若测得二极管正、反向电阻均为无穷大，说明二极管开路。

若测得正、反向电阻差距小（即正向电阻偏大，反向电阻偏小），说明二极管性能不良。

5.1.3　整流二极管与整流桥

（1）整流二极管

整流二极管的功能是将交流电转换成直流电。整流二极管的功能说明如图5-8 所示。

在图5-8（a）中，将灯泡与220V交流电源直接连起来。当交流电为正半周时，其电压极性为上正下负，有正半周电流流过灯泡，电流途径为交流电源上正→灯泡→交流电源下负，如实线箭头所示；当交流电为负半周时，其电压极性变为上负下正，有负半周电流流过灯泡，电流途径为交流电源下正→灯泡→交流电源上负，如虚线箭头所示。由于正负半周电流均流过灯泡，灯泡发光，并且光线很亮。

在图5-8（b）中，在220V交流电源与灯泡之间串接一个二极管，会发现灯泡也亮，但亮度较暗，这是因为只有交流电源为正半周（极性为上正下负）时，二极管才导通，而交流电源为负半周（极性为上负下正）时，二极管不能导通，结果只有正半周交流电通过灯泡，故灯泡仍亮，但亮度较暗。图中的二极管允许交流电一个半周通过而阻止另一个半周通过，其功能称为整流，该二极管称为整流二极管。

用作整流功能的二极管要求最大整流电流和最高反向工作电压满足电路要求，如图5-8（b）中的整流二极管在交流电源负半周时截止，它两端要承受三百多伏电压，如果选用的二极管最高反向工作电压低于该值，二极管会被反向击穿。

表5-1列出了一些常用整流二极管的主要参数。

（2）整流桥

整流桥又称整流桥堆，它内部含有多个整流二极管，整流桥有半桥和全桥之分。

① 整流半桥　半桥内部有两个二极管，根据二极管连接方式不同，可分为共阴极半桥、共阳极半桥和独立二极管半桥，共阴极半桥、共阳极半桥有三个引脚，而独立二极管半桥有四个引脚，如图5-9所示。

在检测三引脚整流半桥类型时，万用表拨至R×1kΩ挡，测量任意两引脚之间的阻值，当出现阻值小时，黑表笔接的为一个二极管正极，红表笔接的为该二极管的负极，然后黑表笔不动，红表笔接余下的引脚，如果测得阻值也很小，则所测整流半桥为共阳极，黑表笔接的为公共极，如果测得阻值为无穷大，则所测整流半桥为共阴极，红表笔先前接的引脚为公共极。

② 整流全桥　全桥内部有四个整流二极管，其外形与内部连接如图5-10所示。全桥有四个引脚，标有“～”两个引脚为交流电压输入端，标有“+”和“–”分别为直流电压“+”和“–”输出端。

5.1.4　开关二极管

二极管具有导通和截止两种状态，它对应着开关的“开（接通）”和“关（断开）”两种状态，当二极管加正向偏压时，正极电压高于负极电压，二极管导通，相当于开关闭合，当二极管加反向偏压时，正极电压低于负极电压，二极管截止，相当于开关断开。

（1）特点

在开关进行开、关状态切换时，需要一定的切换时间，同样，二极管由一种状态转换到另一种状态也需要一定的时间。二极管从导通状态转换到截止状态所需的时间称为反向恢复时间，二极管从截止状态转换到导通状态所需的时间称为开通时间，二极管的反向恢复时间要远大于开通时间。故二极管通常只给出反向恢复时间。

为了达到良好的开、关效果，要求开关二极管的导通、截止切换速度很快，即要求开关二极管的反向恢复时间要小。开关二极管具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高等特点，广泛应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路中。

（2）种类

开关二极管种类很多，如普通开关二极管、高速开关二极管、超高速开关二极管、低功耗开关二极管、高反压开关二极管和硅电压开关二极管等。

①普通开关二极管。常用的国产普通开关二极管有2AK系列锗开关二极管（如2AK1）。

②高速开关二极管。高速开关二极管较普通开关二极管的反向恢复时间更短，开、关频率更快。常用的国产高速开关二极管有2CK系列（2CK13），进口高速开关二极管有1N系列（如1N4148）、1S系列（如1S2471）、1SS系列（有引线塑封）和RLS系列（表面安装）。

③超高速开关二极管。常用的超高速二极管有1SS系列（有引线塑封）和RLS系列（表面封装）。

④低功耗开关二极管。低功耗开关二极管的功耗较低，但其零偏压电容和反向恢复时间值均较高速开关二极管低。常用的低功耗开关二极管有RLS系列（表面封装）和1SS系列（有引线塑封）。

⑤高反压开关二极管。高反压开关二极管的反向击穿电压均在220V以上，但其零偏压电容和反向恢复时间值相对较大。常用的高反压开关二极管有RLS系列（表面封装）和1SS系列（有引线塑封）。

⑥硅电压开关二极管。硅电压开关二极管是一种新型半导体器件，有单向电压开关二极管和双向电压开关二极管之分，主要应用于触发器、过压保护电路、脉冲发生器及高压输出、延时、电子开关等电路。单向电压开关二极管也称转折二极管，其正向为负阻开关特性（即当外加电压升高到正向转折电压值时，开关二极管由截止状态变为导通状态，即由高阻转为低阻），反向为稳定特性；双向电压开关二极管的正向和反向均具有相同的负阻开关特性。

最常用的开关二极管有1N4148、1N4448，两者均采用透明玻壳封装，靠近黑色环的引脚为负极，它们可以代换国产大部分2CK系列型号的开关二极管。1N4148、1N4448的参数见表5-2。

（3）应用

开关二极管的应用举例如图5-11所示。从A点输入的Ui信号要到达B点输出，必须经过二极管VD，当控制电压为正电压时，二极管导通，Ui信号经C1、VD、C2到达B点输出，当控制电压为负电压时，二极管截止，Ui信号无法通过VD，不能到达B点，二极管VD在该电路相当于一个开关，其通断受电压控制，故又称为电子开关。

5.1.5　二极管型号命名方法

国产二极管的型号命名分为五个部分：

第一部分用数字“2”表示主称为二极管；

第二部分用字母表示二极管的材料与极性；

第三部分用字母表示二极管的类别；

第四部分用数字表示序号；

第五部分用字母表示二极管的规格号。

国产二极管的型号命名及含义见表5-3。

举例：