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二極管知識簡介
- 2015-03-24 15:00
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- 資訊文章
- admin
- 來源：本站
打開任何一本較為系統地介紹電子技術的教程,都會在介紹二極管之前對半導體材料的原子結構、電子與空穴、 P-N結/N-P結等預備知識作詳細的介紹。這些對理解半導體器件的工作原理固然有鋪墊作用, 但我們更側重的是器件應用方面的知識, 所以本書中忽略了上述一些枯燥的預備知識 。 即使這樣, 對我們使用二極管也不會有太大的影響 。
1、
二極管是一個有兩個引腳的半導體器件, 這兩個引腳一個是正極 (或稱陽極, anode) , 另一個是負極(或稱陰極, cathode) 。二極管電路符號倒三角一端為正極,短線一端為負極,其可以標記為
,其中字母A代表正極, K代表負極。
發光二極管和光電二極管長腳為正極,短腳為負極(新買的器件) 。 其他一些小功率的二極管有一個圓柱形的外殼, 兩端為管腳 。 在外殼一端一般都有一個色環 (銀色、 黑色、白色等)或“圍裙”作為二極管負極的標記,如圖1-46所示,與這些標記同側的管腳為負極,另一側的管腳則為正極。注意,在電路中,二極管的正極、負極是不能接反的,否則二極管發揮不了作用 。
2. 二極管的單向導電特性
在繪制圖1-47所示的電路時,可先完成圖1-47 (a)所示電路,然后用鼠標框選整個電路, 單擊工具欄上的復制按鈕(
)或按 Ctrl+c快捷鍵, 然后單擊工具欄上的粘貼按鈕 (
)或按 Ctrl+V快捷鍵并在工作窗口適當位置放置一幅與圖1-47(a)完全相同的電路圖, 然后把二極管垂直翻轉并重新連接導線即可完成 。
二極管在圖1-30所示的 Multisim 2001元器件欄中的按鈕是,單擊這個按鈕是
,在彈出的二極管器件集合中選擇第一個實際二極管
, 在彈出的型號選擇對話框中選用 IN4001
后單擊 0K按鈕并放置到工作窗口中 。 圖1-47中的電流表(
)在元器件欄的指示器件( 
)里, 單擊它并在彈出的指示器件集合中選擇電流表 (
) , 在彈出的電流表選擇窗口中選擇第4個,即正極接線柱在下、負極接線柱在上的。圖1-47中的電池、電阻按1.2.4 節介紹的方法取用, 連接完導線后打開仿真開關 (
) , 很快在兩塊電流表上出現了讀數: 一個是0.011A,另一個是0.270nA,如圖1-47所示。
圖1-47 (a)中,電流從電池正極出發,經過電流表(電流表為理想電流表,電阻極小)、電阻 R1 后進入二極管 D1 的正極, 并從負極流出后回到電池負極, 這符合二極管單向導電的要求一電流從正極流向負極, 所以電路中有電流出現, 其大小為 0.011A。 此時我們稱二極管獲得正向偏置(forward bias) ,有正向電流(forward current)流過。
而圖1-47 (b)中,二極管D2極性與剛才對調,電流無法從它的負極流到正極,電路中幾乎沒有電流形成, 所以電流表讀數只有 
, 此時我們稱
從電流表的讀數知道, 正向偏置時電路里的電流為反向偏置時的 40000000 倍(0.011A/0.270nA) !說明二極管正向偏置時導通,電路中有電流形成;而反向偏置時截止, 電路的電流極小而一般忽略為無電流流過 。
現在可以確信, 二極管是一個具有單向導電特性的器件了 。 每當提起二極管時, 腦子里就馬上要想到 “単向導電特性” , 這樣才算是一名合格的電路設計師 。 為了加深這個印象, 下面再通過兩個仿真實例來體會一下 。
首先我們解釋一下圖1-48所示的兩個電路圖: 圖中都由二極管 D1和電阻 Rl構成主要的電路功能器件,圖1-48 (a)在Multisim 2001中繪制,用于仿真,所以還放置了交流電壓源V1、接地符號、示波器XSC1;而圖-48 (b)在Protel軟件中繪制(專業繪制電路圖、印刷電路板圖的軟件之一) ,并不用于仿真,只是一張標準的電路圖。圖1-48 (b)中的
代表輸入信號, 
代表輸出信號 。于是我們在 Multisim2001仿真中添加了輸入信號(交流電壓源 V1) , 并用示波器 XSC1觀察輸出信號。
所以圖 1-48所示的兩個電路圖功能相同, 只不過一個是在仿真軟件中繪制, 另一個在電路設計軟件中完成。 電路的原理為: 交流電壓信號
從二極管 D1的正極流入, 從負極流出,經過電阻 R1接入地中形成回路,輸出端 
與示波器相連,示波器觀察的是輸入信號經過
示波器的通道A和通道B分別用來觀察電路輸入和輸出的信號, 為了觀察方便, 一般可把其中一個通道的顏色改變一下, 以便在示波器觀察窗口中區分兩個信號, 方法是在示波器某一通道的導線上右擊, 在彈出的快捷菜單中選擇 Color…選項, 從彈出的顏色選擇對話框中選擇一種較為突出的顏色 (如綠色、 紅色等) 即可。
這樣就完成了仿真電路的繪制, 進入仿真階段 。 雙擊示波器XSC1, 彈出示波器觀察窗口 。打開 Multisim仿真開關(
) ,示波器觀察窗口出現了波形,把示波器的 Timebase 欄的 Scale設為500μs/Div,通道A和通道B的Scale都設為500mV/Div(可參考附錄D中關于示波器的設置介紹) ,就可得到圖1-49所示的輸入、輸出波形,為了便于觀察,本書在有輸入、 輸出波形同時出現在一個示波器時, 特意把輸出波形加粗了 。
圖1-49所示的實驗結果表明,當向圖1-48(b)所示電路輸入幅度為1V、頻率1000Hz的正弦信號時, 經過二極管的處理, 輸出信號在電阻 R1 兩端出現了一個只有一半的正弦信號一其負半周不見了 。 這說明當輸入信號在正半周時, 二極管 D1 獲得正向偏置而導通,輸入信號得以通過二極管 D1而在輸出端出現; 而當輸入信號在負半周時, 二極管 D1 反向偏置而截止, 沒有信號能通過二極管 D1 , 從而在輸出端出現一個幅度為0V的水平線。 該實例再次說明了二極管的單向導電特性。
如果把例1.6中的二極管 D1正極、負極對調會對輸出信號產生什么影響呢?可以在Multisim 2001中連接如圖1-50所示的電路,通過仿真得到如圖1-51所示的輸入、輸出波形 。可見, 輸出信號只有負半周部分, 請大家分析一下這個輸出信號的由來 。
通過以上3個仿真實例, 得到的結論是: 二極管果然具有單向導電特性 。
3. 二極管的正向偏置和反向偏置
從例 1.5 看到二極管只有在正向偏置時才會導通, 有電流從正極流向負極; 而在反向偏置時截止, 沒有電流通過。其實二極管的電路符號早就暗示這一點了: 圖1-52所示二極管電路符號的左側管腳和實心的三角形是不是構成了一個指向負極的箭頭
? 這就提示當二極管獲得正向偏置后, 電流只能單向從正極流向負極 。 如果電流妄想從負極流入二極管, 則會遇到電路符號中與管腳垂直的堅強 “擋板” 。
二極管正向偏置是有一定條件的一正極的電壓要高于負極, 或者說需要一個正向電壓(
, forward voltage) ,這樣電流才能“闖過”二極管,二極管才能導通。
這個令二極管導通的正向電壓
是的大小與二極管的種類有關 。 二極管一般由硅(Si)
或鍺(Ge)半導體材料制成,使用硅材料制成的二極管稱為硅管(silicondiode) ,而使用鍺材料制成的二極管稱為鍺管 (germaniumdiode) 。令硅管和鍺管導通的正向電壓是不一樣的,如表1-2所示。
表1-2明顯地說明, 硅管導通所需的正向電壓較鍺管的高。 問題是怎么知道某個二極管是硅管還是鍺管?有一種非常直接的方法是用**表的電阻擋對二極管進行測量,如圖1-53所示,**表紅表筆(正極)接二極管的負極,黑表筆(負極)接二極管的正極。 如果被測阻值在 1kΩ 左右說明是鍺管; 如果阻值為 4~8kΩ 則為硅管 。
4.二極管的伏安特性
從表1-2知道了硅管和鍺管導通所需的正向電壓分別為 0.7V和 0.15V,這個指標非常有幫助。 如果能知道二極管導通時的正向電流有多大那就更好了 。 而這個問題的答案都藏在一張神秘的圖表中一二極管伏安特性曲線 。 每個型號的二極管都有各自對應的伏安特性曲線, 這是一個經常涉及的二極管的重要參數 。
例如二極管 IN4148 的技術文檔中有一幅描述該二極管伏安特性的曲線圖, 如圖 1-54 所示。 橫坐標是施加在二極管兩端的正向電壓, 縱坐標是流過二極管的正向電流 fF。
圖l-54所示的伏安特性曲線告訴我們二極管1N4l48正向電壓 MF與正向電流fF之問的關系: 當施加在二極管1N4148上的正向電壓 MF從0V開始慢慢增大,在 0.7V之前(圖中箭頭所指) IN4148都沒有導通,所以正向電流一直接近 0mA; 當正向電壓**過 0.7V并繼續增大時情況發生了明顯的變化, 正向電流打破0mA 并隨著正向電壓
的繼續增大而快速加強。
這說明在二極管1N4148上施加的正向電壓**過約 0.7V 時,正向電流
開始形成,1N4148導通。
圖1-54的橫坐標單位是V(伏) ,縱坐標單位是mA(毫安) 。于是圖中曲線稱為二極管的伏安特性曲線, 不同型號二極管擁有自己的伏安特性曲線, 從中我們可以得到二極管的伏安特性:
二極管導通所需的正向電壓
。如圖1-54所示的二極管1N4148導通所需正向電壓約為 0.7V。 由此還可以結合表1-2來判斷二極管是硅管還是鍺管。
二極管正向電流
與正向電壓之間的關系。如圖1-54所示當正向電壓為 0.7V,對應正向電流約為20mA; 當正向電壓為lV時正向電流約為200mA 等。
我們可以通過 Multisim 2001對圖1-54所示的二極管1N4148的伏安特性曲線進行驗證。
圖1-55的二極管 D1型號為1N4148,可按例1.6的方法從 Multisim的元器件欄中取用; 電池 V1、電阻 R1、電壓表、電流表也按1.2.4節介紹的方法取用;發光二極管 LED1在Multisim2001元器件欄的二極管集合(如圖1-30所示)中,圖標為
。這是一種通電會發光的器件,廣泛應用于指示燈、照明器件中(見8.2.1節) 。在仿真運行以前發光二極管LED1的箭頭是空心的,代表熄滅。完成圖1-55所示的電路連接后打開仿真開關,發光二極管 LEDl1有電流流過而被點亮, 箭頭變成實心, 同時電壓表和電流表也都有了讀數, 分別為 0.714V和 0.020A。
發光二極管 LED1被點亮說明電路中有電流流過, 二極管 D1導通。
電壓表與二極管 D1并聯,測量二極管 D1的正向電壓;電流表與電路串聯,測量的是二極管D1的正向電流。仿真得到 =0.714V, =0.020A,這個點不就在圖1-54所示的1N4148伏安特性曲線上嗎?
因此驗證了伏安特性曲線所描述的二極管的正向電壓和正向電流之問的關系正確性 。
從特殊到一般, 是學習電子技術的一個非常好的方法 。 以上是用一個具體的二極管一1N4148來了解了什么是伏安特性曲線, 并從它的伏安特性曲線上知道當正向電壓=0.7V時二極管開始導通, 這樣結合表1-2還推測出1N4148是一個硅管。
那是不是所有的硅管都有類似的伏安特性曲線呢? 答案是肯定的 。 鍺管也有一個能廣泛代表其特性的曲線, 如圖1-56所示。
對于圖1-56所示的硅管(實線)和鍺管(虛線)伏安特性曲線有兩點值得注意:
二極管正向偏置時(陰影區) ,一開始,正向電流非常小(幾乎等于0) ,直到正向電壓高于 0.6V(硅管)或 0.2V(鍺管)之后,正向電壓的很小變化都會造成正向電流的急劇改變 。
圖 1 -56 只是對硅管和鍺管伏安特性的一般化描述, 針對不同型號的二極管還需要査閱具體的器件技術文檔才能獲得更確切的伏安特性曲線。
5.技術文檔告訴我們什么
比如手上有一個型號為1N4001的二極管,把型號1N400l輸入到搜索引擎(如www.google.co.uk)中,在搜索結果中標記為[PDF]的一般都為技術文檔,打開之后就會看到如圖 1-57所示的文檔, 該文檔第一頁就有一些參數是選用二極管時需要考慮的:
二極管型號1N4001~1N4007。圖1-57所示的技術文檔是型號為1N4001、1N4002、
1N4003、1N4004、1N4005、1N4006、1N4007共7種二極管的共同技術文檔,說
明這7種二極管特性相似, 只是某些參數有所不同, 所以共用同一個技術文檔 。
**大反向電壓
(peak repetitive reverse voltage) 。如果施加在二極管上的反向
電壓
**過了**大反向電壓時會擊穿二極管 。 不同型號的二極管所能承受
的**大反向電壓不同, 1N4001、1N4002、1N4003、1N4004、1N4005、1N4006、
1N4007的**大反向電壓分別為50V、100V、200V、400V、600V、800V、
1000V。
平均正向電流 
(averagerectified forward current) 。該參數描述的是二極管所
能承受的正向電流的平均值, 不同型號的器件所能承受的**大平均正向電流
不同 。 如二極管 1N4001~1N4007 的平均正向電流 =1.0A, 說明通過
1N400l~lN4007的平均正向電流不能持續**過1.0A, 否則器件將會燒壞。
正向電壓 (Forward Voltage@ 1.0A) 。該參數一般描述的是當通過二極管的電
流達到平均正向電流時對應的二極管正向電壓的大小 。 如果二極管
1N4001~1N4007通過的正向電流為1.0A時,根據圖1-57所示正向電壓 =1.1V。
為了適應各種場合的需要, 不同型號的二極管其**大反向電壓、 平均正向電流、正向電壓等參數不盡相同。二極管選型時,要**施予它的反向電壓、正向電流的平均值不要**過其技術文檔中規定的極限。
6.二極管的正向壓降
在例1.7中, 使用一個電壓表測量二極管 D1兩端電壓而得知其正向電壓 
, 這個電壓又稱為二極管的正向壓降(forward voltage drop) ,因為二極管D1的存在,使得電壓經過它之后有所下降。 所以, 對于導通的二極管, 其正向電壓和正向壓降指的是同一個參數, 具有相同的值 。
另外,從二極管的伏安特性曲線可知(如圖1-56所示) ,當正向電流提高后,其正向壓降(正向電壓)也有所增加,但變化不大,一般可認為當二極管導通時,其正向壓降為恒定值 0.7V(硅管)或 0.l5V(鍺管) ,即與表1-2所示的二極管導通所需的正向電壓相等 。 可以這樣理解:
