6.1　半导体与二极管

6.1.1　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

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。

6.1.2　二极管的结构和符号

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6-1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、电路图形符号和实物外形如图6-2所示。

6.1.3　二极管的单向导电性和伏安特性说明

1.单向导电性说明

下面通过分析图6-3中的两个电路来说明二极管的性质。

在图6-3（a）电路中，当闭合开关S后，发现灯泡会发光，表明有电流流过二极管，二极管导通；而在图6-3（b）电路中，当开关S闭合后灯泡不亮，说明无电流流过二极管，二极管不导通。通过观察这两个电路中二极管的接法可以发现：在图6-3（a）电路中，二极管的正极通过开关S与电源的正极连接，二极管的负极通过灯泡与电源负极相连；而在图6-3（b）电路中，二极管的负极通过开关S与电源的正极连接，二极管的正极通过灯泡与电源负极相连。

由此可以得出这样的结论：当二极管正极与电源正极连接，负极与电源负极相连时，二极管能导通；反之，二极管不能导通。二极管这种单方向导通的性质称二极管的单向导电性。

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6-4（a）所示，图6-4（b）、（c）则是为解释伏安特性曲线而画的电路。

在图6-4（a）的坐标图中，第一象限内的曲线表示二极管的正向特性，第三象限内的曲线则表示二极管的反向特性。下面从两方面来分析伏安特性曲线。

（1）正向特性

正向特性是指给二极管加正向电压（二极管正极接高电位，负极接低电位）时的特性。在图6-4（b）电路中，电源直接接到二极管两端，此电源电压对二极管来说是正向电压。将电源电压U从0V开始慢慢调高，在刚开始时，由于电压U很低，流过二极管的电流极小，可认为二极管没有导通，只有当正向电压达到图6-4（a）所示的UA电压时，流过二极管的电流急剧增大，二极管导通。这里的UA电压称为正向导通电压，又称门电压（或阈值电压）。不同材料的二极管，其门电压是不同的，硅材料二极管的门电压为0.5～0.7V，锗材料二极管的门电压为0.2～0.3V。

从上面的分析可以看出，二极管的正向特性是：当二极管加正向电压时不一定能导通，只有正向电压达到门电压时，二极管才能导通。

（2）反向特性

反向特性是指给二极管加反向电压（二极管正极接低电位，负极接高电位）时的特性。在图6-4（c）电路中，电源直接接到二极管两端，此电源电压对二极管来说是反向电压。将电源电压U从0V开始慢慢调高，在反向电压不高时，没有电流流过二极管，二极管不能导通。当反向电压达到图6-4（a）所示UB电压时，流过二极管的电流急剧增大，二极管反向导通了，这里的UB电压称为反向击穿电压。反向击穿电压一般很高，远大于正向导通电压，不同型号的二极管反向击穿电压不同，低的十几伏，高的有几千伏。普通二极管反向击穿导通后通常是损坏性的，所以反向击穿导通的普通二极管一般不能再使用。

从上面的分析可以看出，二极管的反向特性是：当二极管加较低的反向电压时不能导通，但反向电压达到反向击穿电压时，二极管会反向击穿导通。

二极管的正、反向特性与生活中的开门类似：当你从室外推门（门是朝室内开的）时，如果力很小，门是推不开的，只有力气较大时门才能被推开，这与二极管加正向电压，只有达到门电压才能导通相似；当你从室内往外推门时，是很难推开的，但如果推门的力气非常大，门也会被推开。不过，门被推开的同时一般也就损坏了。这与二极管加反向电压时不能导通，但反向电压达到反向击穿电压（电压很高）时，二极管会击穿导通相似。

6.1.4　二极管的主要参数

（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，二极管容易被烧坏。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。

6.1.5　二极管正负极性判别

二极管引脚有正负之分，在电路中乱接，轻则不能正常工作，重则损坏。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6-5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×100Ω或×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6-6所示。以阻值小的一次为准，如图6-6（a）所示，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极性过程如图6-7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6-7（a）所示，另一次显示100～800之间的数字，如图6-7（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）。

6.1.6　二极管的常见故障与检测

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×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6-6。正常锗材料二极管正向阻值为1kΩ左右，反向阻值在500kΩ以上；正常硅材料二极管正向电阻为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。

6.1.7　用数字万用表检测二极管

用数字万用表检测二极管如图6-8所示。测量时，挡位开关选择二极管测量挡，红表笔接二极管的负极，黑表笔接二极管的正极，正常显示屏显示符号“OL”，如图6-8（a）所示，显示其他数值表示二极管短路或反向漏电。然后将红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，正常二极管会正向导通，且显示0.100～0.800V范围内的数值，如图6-8（b）所示。该值是二极管正向导通电压。如果显示值为0.000，则表示二极管短路；显示“OL”，则表示二极管开路。

6.1.8　二极管的型号命名方法

国产二极管的型号命名分为以下五个部分。

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如表6-1所示。

举例：