二极管

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二极管(Diode)

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什么是二极管

  电子元件当中,一种具有两个电极的装置,只允许电流由单一方向流过。许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管(Varicap Diode)则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流(Rectifying)”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为正向偏置),反向时阻断 (称为反向偏置)。因此,二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上二极管并不会表现出如此完美的开与关的方向性,而是较为复杂的非线性电子特征——这是由特定类型的二极管技术决定的。二极管使用上除了用做开关的方式之外还有很多其他的功能。

二极管的分类[1]

  二极管按材料分为硅二极管、锗二极管、砷二极管等;按结构不同分为点接触二极管和面接触二极管;按用途分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等。

  不管构成二极管的材料如何,结构如何,特性如何,二极管均具有单向导电性和非线性的特点。

二极管的外形、结构与符号

  二极管是由半导体材料制成的,所谓半导体材料是指它的导电能力介于导体和绝缘体之间的一类特殊材料,半导体锗和半导体硅都属于这种材料。如图所示为二极管的外形、内部结构示意和符号。

Image:二极管.jpg

二极管的两根引脚分别称为阳极和阴极,由P型半导体一侧引出的电极称为阳极,由N型半导体一侧引出的电极称为阴极。在二极管符号中,三角形底边一端为阳极,另一端为阴极。符号形象地表示了二极管电流流动的方向,即电流只能从阳极流向阴极,而不允许反方向流动。

  二极管是将PN结封装起来,并分别引出电极制成的。所谓PN结是将半导体材料(硅或锗)利用特殊工艺制成P型半导体和N型半导体,并将这两块半导体用专门技术结合起来,在它们的交界面上就会形成一个称为PN结的特殊结构。这个PN结对来自两个方向的电流呈现不同的性质,在外加电压足够大时(一般约0.3~0.6V),电流只能从阳极(P型半导体一侧)流向阴极(N型半导体一侧),反方向是不能导通的。

二极管的电流、电压关系[2]

  二极管的电流、电压关系是指管内流过的电流与其两端所加电压之间的关系。对二极管施加正向电压和反向电压两种情况时,对应有二极管的导通状态和截止状态。

  1.正向偏置与导通状态

  二极管阳极接高电位,阴极接低电位,连接电路如图(a)所示,这种连接称为二极管的正向偏置。此时调节串联在电路中的电阻大小可以发现,当二极管VD两端正向电压较低时(小于0.5V),电路中几乎没有电流,灯泡也不发光;当二极管两端正向电压大于0.5V后,电路中电流增加很快,灯泡发光。随着电流增大,二极管VD两端电压维持在0.6~0.7V之间不再增加。由此可见,在正向偏置情况下,二极管表现出不同电压下具有不同的电阻值。为了准确描述这个物理现象,可以记录每个电压下对应的电流,从而描绘成曲线,可得到图(b)所示的二极管正向电流、电压关系特性

  Image:二极管正向偏置导通与电流、电压的关系特性.jpg

  在图(b)所示正向特性中,当正向电压较小时,正向电流几乎为零(曲线OA段),这时二极管并未真正导通,这一段所对应的电压称为二极管的死区电压或阈值电压,通常硅管约为0.5V,锗管约为0.2V。当正向电压大于死区电压后,正向电流迅速增加,这时二极管才真正导通,由图(b)可见,在A点以后曲线很陡,说明二极管两端电压几乎恒定,硅管约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3v。

  2.反向偏置与截止状态

  二极管阳极接低电位,阴极接高电位,连接电路如图(a)所示,这种连接称为二极管的反向偏置。此时调节串联在电路中的电阻大小发现,即使二极管两端反向电压较高时,电路中仍然几乎没有电流,灯泡不发光。当二极管两端反向电压到达足够大时(对于各种二极管该电压数值不同),二极管会突然导通,并造成二极管的永久损坏。同样可将反向偏置情况下的二极管电流与电压关系描绘成曲线,可得如下图(b)所示二极管反向电流、电压关系特性。

  Image:二极管反向偏置截止与电流、电压关系特性.jpg

  在上图(b)所示反向特性中,当反向电压不超过一定范围(曲线OB段)时,反向电流十分微小并随电压增加而基本不变。小功率硅二极管的反向电流一般小于0.1m左右,通常可以忽略不计。当反向电压增加到一定数值时,反向电流将急剧增加,称为反向击穿,此时的电压称为反向击穿电压。普通二极管被击穿后,PN结不能恢复原有的性能,造成永久性损坏。综上所述,二极管具有在正向偏置电压下导通,反向偏置电压下截止的特性,这个特性称为单向导电性。

二极管的主要参数

  二极管的参数是评价二极管性能的重要指标,是正确选择和使用二极管的依据,主要参数有:

  (1)最大整流电流IFM指二极管长期工作时,允许通过二极管的最大正向电流的平均值。当实际电流超过该值时,二极管会因过热而损坏。

  (2)最高反向工作电压URM指保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压。实际使用中二极管反向电压不应超过此电压值,以防发生反向击穿。

  (3)反向电流IR指二极管加反向电压而未击穿时的反向电流。如果该值较大,是不能正常使用的。反向电流愈小,二极管单向导电性愈好。

参考文献

  1. 毕满清.电子工艺实习教程.国防工业出版社,2003年05月第1版.
  2. 程周.电工与电子技术.高等教育出版社,2001.7.
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