一文讀懂：二極管的基礎知識
1、半導體
導電性能介于導體與絕緣體之間的材料稱為半導體，常見的半導體材料有硅、鍺和硒等。利用半導體材料可以制作各種各樣的半導體元器件，如二極管、三極管、場效應管和晶閘管等都是由半導體材料制作而成的。
（1）半導體的特性
半導體的主要特性有以下幾項。
① 摻雜性。當往純凈的半導體中摻入少量某些物質時，半導體的導電性就會大大增強。二極管、三極管就是用摻入雜質的半導體制成的。
② 熱敏性。當溫度上升時，半導體的導電能力會增強，利用該特性可以將某些半導體制成熱敏器件。
③ 光敏性。當有光線照射半導體時，半導體的導電能力也會顯著增強，利用該特性可以將某些半導體制成光敏器件。
（2）半導體的類型
半導體主要有三種類型：本征半導體、N型半導體和P型半導體。① 本征半導體。純凈的半導體稱為本征半導體，它的導電能力是很弱的，在純凈的半導體中摻入雜質后，導電能力會大大增強。
② N型半導體。在純凈半導體中摻入五價雜質（原子核最外層有五個電子的物質，如磷、砷和銻等）后，半導體中會有大量帶負電荷的電子（因為半導體原子核最外層一般只有四個電子，所以可理解為當摻入五價元素后，半導體中的電子數偏多），這種電子偏多的半導體稱為“N型半導體”。
③ P型半導體。在純凈半導體中摻入三價雜質（如硼、鋁和鎵）后，半導體中電子偏少，有大量的空穴（可以看作正電荷）產生，這種空穴偏多的半導體稱為“P型半導體”。
2、 二極管
（1）構成
當P型半導體（含有大量的正電荷）和N型半導體（含有大量的電子）結合在一起時，P型半導體中的正電荷向N型半導體中擴散，N型半導體中的電子向P型半導體中擴散，于是在P型半導體和N型半導體中間就形成一個特殊的薄層，這個薄層稱為PN結，該過程如圖1所示。
圖1 PN結的形成
從含有PN結的P型半導體和N型半導體兩端各引出一個電極并封裝起來就構成了二極管，與P型半導體連接的電極稱為正極（或陽極），用“+”或“A”表示，與N型半導體連接的電極稱為負極（或陰極），用“-”或“K”表示。
（2）結構、符號和外形
二極管內部結構、電路符號和實物外形如圖2所示。
圖2 二極管
（3）性質
① 性質說明
下面通過分析圖3中的兩個電路來說明二極管的性質。
圖3 二極管的性質說明
二極管性質說明
在圖3（a）電路中，當閉合開關S后，發現燈泡會發光，表明有電流流過二極管，二極管導通；而在圖3（b）電路中，當開關S閉合后燈泡不亮，說明無電流流過二極管，二極管不導通。通過觀察這兩個電路中二極管的接法可以發現：在圖3（a）中，二極管的正極通過開關S與電源的正極連接，二極管的負極通過燈泡與電源負極相連，而在圖3（b）中，二極管的負極通過開關S與電源的正極連接，二極管的正極通過燈泡與電源負極相連。
由此可以得出這樣的結論：當二極管正極與電源正極連接，負極與電源負極相連時，二極管能導通，反之二極管不能導通。二極管這種單方向導通的性質稱二極管的單向導電性。?
② 伏安特性曲線
在電子工程技術中，常采用伏安特性曲線來說明元器件的性質。伏安特性曲線又稱電壓電流特性曲線，它用來說明元器件兩端電壓與通過電流的變化規律。二極管的伏安特性曲線用來說明加到二極管兩端的電壓U與通過電流I之間的關系。二極管的伏安特性曲線如圖4（a）所示，圖4（b）、（c）則是為解釋伏安特性曲線而畫的電路。
圖4 二極管的伏安特性曲線
二極管伏安特性說明
在圖4（a）的坐標圖中，第一象限內的曲線表示二極管的正向特性，第三象限內的曲線則是表示二極管的反向特性。下面從兩方面來分析伏安特性曲線。
① 正向特性 正向特性是指給二極管加正向電壓（二極管正極接高電位，負極接低電位）時的特性。在圖4（b）電路中，電源直接接到二極管兩端，此電源電壓對二極管來說是正向電壓。將電源電壓U從0V開始慢慢調高，在剛開始時，由于電壓U很低，流過二極管的電流極小，可認為二極管沒有導通，只有當正向電壓達到圖4（a）所示的UA電壓時，流過二極管的電流急劇增大，二極管導通。這里的UA電壓稱為正向導通電壓，又稱門電壓（或閾值電壓），不同材料的二極管，其門電壓是不同的，硅材料二極管的門電壓約為0.5～0.7V，鍺材料二極管的門電壓約為0.2～0.3V。
從上面的分析可以看出，二極管的正向特性是：當二極管加正向電壓時不一定能導通，只有正向電壓達到門電壓時，二極管才能導通。?
② 反向特性 反向特性是指給二極管加反向電壓（二極管正極接低電位，負極接高電位）時的特性。在圖4（c）電路中，電源直接接到二極管兩端，此電源電壓對二極管來說是反向電壓。將電源電壓U從0V開始慢慢調高，在反向電壓不高時，沒有電流流過二極管，二極管不能導通。當反向電壓達到圖4（a）所示UB電壓時，流過二極管的電流急劇增大，二極管反向導通了，這里的UB電壓稱為反向擊穿電壓，反向擊穿電壓一般很高，遠大于正向導通電壓，不同型號的二極管反向擊穿電壓不同，低的十幾伏，高的有幾千伏。普通二極管反向擊穿導通后通常是損壞性的，所以反向擊穿導通的普通二極管一般不能再使用。
從上面的分析可以看出，二極管的反向特性是：當二極管加較低的反向電壓時不能導通，但反向電壓達到反向擊穿電壓時，二極管會反向擊穿導通。
二極管的正、反向特性與生活中的開門類似：當你從室外推門（門是朝室內開的）時，如果力很小，門是推不開的，只有力氣較大時門才能被推開，這與二極管加正向電壓，只有達到門電壓才能導通相似；當你從室內往外推門時，是很難推開的，但如果推門的力氣非常大，門也會被推開，不過門被推開的同時一般也就損壞了，這與二極管加反向電壓時不能導通，但反向電壓達到反向擊穿電壓（電壓很高）時，二極管會擊穿導通相似。?
（4）主要參數
二極管的主要參數如下。
① 最大整流電流IF
二極管長時間使用時允許流過的最大正向平均電流稱為最大整流電流，或稱作二極管的額定工作電流。當流過二極管的電流大于最大整流電流時，容易被燒壞。二極管的最大整流電流與PN結面積、散熱條件有關。PN結面積大的面接觸型二極管的IF大，點接觸型二極管的IF小；金屬封裝二極管的IF大，而塑封二極管的IF小。
② 最高反向工作電壓UR
最高反向工作電壓是指二極管正常工作時兩端能承受的最高反向電壓。最高反向工作電壓一般為反向擊穿電壓的一半。在高壓電路中需要采用UR大的二極管，否則二極管易被擊穿損壞。
③ 最大反向電流IR
最大反向電流是指二極管兩端加最高反向工作電壓時流過的反向電流。該值越小，表明二極管的單向導電性越佳。
④ 最高工作頻率fM
最高工作頻率是指二極管在正常工作條件下的最高頻率。如果加給二極管的信號頻率高于該頻率，二極管將不能正常工作，fM的大小通常與二極管的PN結面積有關，PN結面積越大，fM 越低，故點接觸型二極管的fM 較高，而面接觸型二極管的fM 較低。
（5）極性判別
二極管引腳有正、負之分，如果在電路中亂接，輕則不能正常工作，重則會損壞。二極管極性判別可采用下面一些方法。
① 根據標注或外形判斷極性
為了讓人們更好地區分出二極管正、負極，有些二極管會在表面作一定的標志來指示正、負極，有些特殊的二極管，從外形也可找出正、負極。
在圖5中，左上方的二極管表面標有二極管符號，其中三角形端對應的電極為正極，另一端為負極；左下方的二極管標有白色圓環的一端為負極；右方的二極管金屬螺栓為負極，另一端為正極。
圖5 根據標注或外形判斷二極管的極性
② 用指針萬用表判斷極性
對于沒有標注極性或無明顯外形特征的二極管，可用指針萬用表的歐姆擋來判斷極性。萬用表撥至R×100Ω或R×1kΩ擋，測量二極管兩個引腳之間的阻值，正、反各測一次，會出現阻值一大一小，如圖6 所示，以阻值小的一次為準，見圖6（a），黑表筆接的為二極管的正極，紅表筆接的為二極管的負極。
圖6 用指針萬用表判斷二極管的極性
③ 用數字萬用表判斷極性
數字萬用表與指針萬用表一樣，也有歐姆擋，但由于兩者測量原理不同，數字萬用表歐姆擋無法判斷二極管的正、負極（數字萬用表測量正、反向電阻時阻值都顯示無窮大符號“1”），不過數字萬用表有一個二極管專用測量擋，可以用該擋來判斷二極管的極性。用數字萬用表判斷二極管的極性如圖7所示。
在檢測判斷時，數字萬用表撥至“[插圖]”擋（二極管測量專用擋），然后紅、黑表筆分別接被測二極管的兩極，正反各測一次，測量會出現一次顯示“1”，如圖7（a）所示，另一次顯示100～800之間的數字，如圖7（b）所示，以顯示100～800之間數字的那次測量為準，紅表筆接的為二極管的正極，黑表筆接的為二極管的負極。在圖7中，顯示“1”表示二極管未導通，顯示“585”表示二極管已導通，并且二極管當前的導通電壓為585mV（即0.585V）。
圖7 用數字萬用表判斷二極管的極性
（6）常見故障及檢測
二極管常見故障有開路、短路和性能不良。
在檢測二極管時，萬用表撥至R×1kΩ擋，測量二極管正、反向電阻，測量方法與極性判斷相同，可參見圖6。正常鍺材料二極管正向阻值在1kΩ左右，反向阻值在500kΩ以上；正常硅材料二極管正向電阻在1～10kΩ，反向電阻為無窮大（注：不同型號萬用表測量值略有差距）。也就是說，正常二極管的正向電阻小、反向電阻很大。
若測得二極管正、反電阻均為0，說明二極管短路。
若測得二極管正、反向電阻均為無窮大，說明二極管開路。
若測得正、反向電阻差距小（即正向電阻偏大，反向電阻偏小），說明二極管性能不良。
3、 整流二極管與整流橋
（1）整流二極管
整流二極管的功能是將交流電轉換成直流電。整流二極管的功能說明如圖8 所示。
圖8 整流二極管的功能說明
在圖8（a）中，將燈泡與220V交流電源直接連起來。當交流電為正半周時，其電壓極性為上正下負，有正半周電流流過燈泡，電流途徑為交流電源上正→燈泡→交流電源下負，如實線箭頭所示；當交流電為負半周時，其電壓極性變為上負下正，有負半周電流流過燈泡，電流途徑為交流電源下正→燈泡→交流電源上負，如虛線箭頭所示。由于正負半周電流均流過燈泡，燈泡發光，并且光線很亮。
在圖8（b）中，在220V交流電源與燈泡之間串接一個二極管，會發現燈泡也亮，但亮度較暗，這是因為只有交流電源為正半周（極性為上正下負）時，二極管才導通，而交流電源為負半周（極性為上負下正）時，二極管不能導通，結果只有正半周交流電通過燈泡，故燈泡仍亮，但亮度較暗。圖中的二極管允許交流電一個半周通過而阻止另一個半周通過，其功能稱為整流，該二極管稱為整流二極管。
用作整流功能的二極管要求最大整流電流和最高反向工作電壓滿足電路要求，如圖8（b）中的整流二極管在交流電源負半周時截止，它兩端要承受三百多伏電壓，如果選用的二極管最高反向工作電壓低于該值，二極管會被反向擊穿。
表1列出了一些常用整流二極管的主要參數。
表1 常用整流二極管的主要參數
（2）整流橋
整流橋又稱整流橋堆，它內部含有多個整流二極管，整流橋有半橋和全橋之分。
① 整流半橋
半橋內部有兩個二極管，根據二極管連接方式不同，可分為共陰極半橋、共陽極半橋和獨立二極管半橋，共陰極半橋、共陽極半橋有三個引腳，而獨立二極管半橋有四個引腳，如圖9所示。
圖9 整流半橋
在檢測三引腳整流半橋類型時，萬用表撥至R×1kΩ擋，測量任意兩引腳之間的阻值，當出現阻值小時，黑表筆接的為一個二極管正極，紅表筆接的為該二極管的負極，然后黑表筆不動，紅表筆接余下的引腳，如果測得阻值也很小，則所測整流半橋為共陽極，黑表筆接的為公共極，如果測得阻值為無窮大，則所測整流半橋為共陰極，紅表筆先前接的引腳為公共極。
② 整流全橋
全橋內部有四個整流二極管，其外形與內部連接如圖10所示。全橋有四個引腳，標有“～”兩個引腳為交流電壓輸入端，標有“+”和“–”分別為直流電壓“+”和“–”輸出端。
圖10 整流橋堆
4、 開關二極管
二極管具有導通和截止兩種狀態，它對應著開關的“開（接通）”和“關（斷開）”兩種狀態，當二極管加正向偏壓時，正極電壓高于負極電壓，二極管導通，相當于開關閉合，當二極管加反向偏壓時，正極電壓低于負極電壓，二極管截止，相當于開關斷開。
（1）特點
在開關進行開、關狀態切換時，需要一定的切換時間，同樣，二極管由一種狀態轉換到另一種狀態也需要一定的時間。二極管從導通狀態轉換到截止狀態所需的時間稱為反向恢復時間，二極管從截止狀態轉換到導通狀態所需的時間稱為開通時間，二極管的反向恢復時間要遠大于開通時間。故二極管通常只給出反向恢復時間。
為了達到良好的開、關效果，要求開關二極管的導通、截止切換速度很快，即要求開關二極管的反向恢復時間要小。開關二極管具有開關速度快、體積小、壽命長、可靠性高等特點，廣泛應用于電子設備的開關電路、檢波電路、高頻和脈沖整流電路及自動控制電路中。
（2）種類
開關二極管種類很多，如普通開關二極管、高速開關二極管、超高速開關二極管、低功耗開關二極管、高反壓開關二極管和硅電壓開關二極管等。
①普通開關二極管。常用的國產普通開關二極管有2AK系列鍺開關二極管（如2AK1）。
②高速開關二極管。高速開關二極管較普通開關二極管的反向恢復時間更短，開、關頻率更快。常用的國產高速開關二極管有2CK系列（2CK13），進口高速開關二極管有1N系列（如1N4148）、1S系列（如1S2471）、1SS系列（有引線塑封）和RLS系列（表面安裝）。
③超高速開關二極管。常用的超高速二極管有1SS系列（有引線塑封）和RLS系列（表面封裝）。
④低功耗開關二極管。低功耗開關二極管的功耗較低，但其零偏壓電容和反向恢復時間值均較高速開關二極管低。常用的低功耗開關二極管有RLS系列（表面封裝）和1SS系列（有引線塑封）。
⑤高反壓開關二極管。高反壓開關二極管的反向擊穿電壓均在220V以上，但其零偏壓電容和反向恢復時間值相對較大。常用的高反壓開關二極管有RLS系列（表面封裝）和1SS系列（有引線塑封）。
⑥硅電壓開關二極管。硅電壓開關二極管是一種新型半導體器件，有單向電壓開關二極管和雙向電壓開關二極管之分，主要應用于觸發器、過壓保護電路、脈沖發生器及高壓輸出、延時、電子開關等電路。單向電壓開關二極管也稱轉折二極管，其正向為負阻開關特性（即當外加電壓升高到正向轉折電壓值時，開關二極管由截止狀態變為導通狀態，即由高阻轉為低阻），反向為穩定特性；雙向電壓開關二極管的正向和反向均具有相同的負阻開關特性。
（3）應用
開關二極管的應用舉例如圖11所示。從A點輸入的Ui信號要到達B點輸出，必須經過二極管VD，當控制電壓為正電壓時，二極管導通，Ui信號經C1、VD、C2到達B點輸出，當控制電壓為負電壓時，二極管截止，Ui信號無法通過VD，不能到達B點，二極管VD在該電路相當于一個開關，其通斷受電壓控制，故又稱為電子開關。
圖11 開關二極管的應用舉例
