任务1 半导体二极管认知及应用

几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。随着科技的发展和新材料的发现及应用，功能独特、性能优良的特殊二极管也不断问世。一些二极管的实物图片如图1.1所示。

基本知识

一、二极管基本知识

自然界的物质按照导电性能可以分为导体、半导体和绝缘体。半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，如硅和锗材料。半导体导电是依靠其中存在的带负电的自由电子（简称电子）和带正电的空穴，它们在外电场的作用下做定向运动，进而形成电流，故称其为载流子。

根据半导体内部两种载流子数量的不同，可以分为本征半导体和杂质半导体。

在硅或锗单晶体上同时加工出P型区和N型区，P型区和N型区的结合部就有一个特殊的薄层，称为PN结。如果PN结的P型区接电路中的高电位，N型区接低电位，即PN结处于正偏状态，PN结导通；否则，PN结截止。PN结是构成二极管、三极管等电子器件的核心。

1.二极管的结构

半导体二极管简称二极管，它是在PN结的P型区和N型区两侧做出两个电极，并接上电极引线，用管壳封装而成。二极管的结构示意图和图形符号如图1.2所示。

二极管的P型区电极称为正极或阳极，N型区称为负极或阴极。在电路原理图中，二极管的文字符号为VD、D或V。

2.二极管的分类

二极管的分类如图1.3所示。

二、二极管的单向导电性

二极管最基本的特性是单向导电性。所谓单向导电是指在电路中二极管阳极接高电位，阴极接低电位时，二极管处于导通状态，电路中有较大的电流（正向电流）出现；二极管阳极接低电位，阴极接高电位时，二极管处于截止状态，电路中的电流（反向电流）很小。

二极管单向导电特点如图1.4所示。

如果将图1.4中的二极管用合适的电阻替代，图1.4（a）、图1.4（b）中的小灯泡的亮暗情况如何？由于电阻不具有单向导电性，小灯泡都是亮的；把电源的极性调换，小灯泡也都一直亮。这种特性可用逆止水阀门来比喻，如图1.5所示。这表明二极管具有单向导电性。

三、二极管的伏安特性及其测试

二极管的伏安特性曲线是指加在二极管两端的电压uD与流过二极管的电流iD的关系曲线。获得二极管的伏安特性曲线可以用类似于数学中的“描点法”绘制出来，测试电路如图1.6所示。二极管的伏安特性曲线如图1.7所示。

1.正向特性

正向伏安特性曲线指纵轴右侧部分，测试电路如图1.6（a）所示，由两部分组成。

（1）外加电压较小时，二极管呈现的电阻较大，正向电流几乎为零，曲线OA段称为不导通区或死区。一般硅二极管的死区电压约为0.5V左右，锗二极管约为0.2V左右。

（2）正向电压uD超过死区电压时，P N 结内电场几乎被抵消，二极管呈现的电阻很小，正向电流iD增长很快，二极管正向导通。AB段特性曲线陡直，电压与电流的关系近似于线性，AB 段称做导通区。导通后，二极管两端的正向电压称为正向压降（或管压降），也近似认为是导通电压。一般硅二极管的导通电压约为0.7V左右，锗二极管的导通电压为0.3V左右。

2.反向特性

反向伏安特性曲线指纵轴左侧部分，其测试电路如图1.6（b）所示。也由两部分组成。

（1）当二极管承受反向电压时，加强了PN结的内电场，使二极管呈现很大电阻，此时仅有很小的反向电流IR。如曲线OC段称为反向截止区，此处的IR称为反向饱和电流或反向漏电流。实际应用中，此反向饱和电流值越小越好。一般硅二极管的反向饱和电流在几十微安以下，锗二极管的则达几百微安，大功率二极管会稍大些。

（2）反向击穿区。当反向电压增大到超过某一个值时（图1.7中C点），是反向特性曲线上一个拐点，反向电压稍有增大，反向电流急剧加大，这种现象称为反向击穿。CD 段称为反向击穿区，C点对应的电压就称为反向击穿电压UBR。击穿后电流过大将会使管子损坏，因此除稳压管外，加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压。

四、二极管的主要参数及简单测试

1.主要参数（如表1.1所示）

2.二极管的简单测试

（1）使用万用表欧姆挡

从图1.8、图1.9、图1.10中可以看出：R×1挡，E=1.5V时，R0最小；R×10，R×100， R×1k挡，E=1.5V时，R0逐次增加；R×10k挡，E=9～15V时，R0较大。

（2）挡位的选择

对一般小功率管使用欧姆挡的R×100，R×1k挡位，而不宜使用R×1和R×10k挡，前者由于电表内阻最小，通过二极管的正向电流较大，可能烧毁管子；后者由于电表电池的电压较高，加在二极管两端的反向电压也较高，易击穿管子。对大功率管，可选R×1挡。

（3）测量步骤

① 正向特性测试，如图1.11所示。

用万用表测量时，将黑表笔接二极管的正极，红表笔接二极管的负极，阻值一般在100～500Ω 之间；当红、黑表笔对调后，阻值应在几百千欧以上。

如果不知道二极管的正、负极，也可用上述方法进行判断。测量中，万用表欧姆挡显示阻值很小时，即为二极管的正向电阻，黑表笔所接触的电极为二极管的正极，另一端为负极；如果显示阻值很大，则红表笔相连的一端为正极，另一端为负极。

② 反向特性测试，如图1.12所示。

③ 测试分析。若测得二极管正、反向电阻值都很大，则说明其内部断路；若测得二极管正、反向电阻值都很小，则说明其内部有短路故障；若两者差别不大，则说明此管失去了单向导电的功能。

另外需提出的是，二极管的正、反向电阻值随检测万用电表的量程（R×100挡还是R×1k挡）不同而变化，这是正常现象。因为二极管是非线性器件，这一点可以从二极管伏安曲线中看出。

基本技能

技能训练1 二极管的简单判断及特性曲线测试

二极管的基本特性是单向导电，自己动手测量判断二极管的两个电极，并绘制出其特性曲线。

（一）操作设备与器件

1.万用表一块；

2.直流电流表一块；

3.晶体二极管若干，100Ω 电阻一只；

4.模拟实验箱（或万能板）。

（二）测试内容

1.二极管电极的判断

2.二极管伏安特性曲线测试

（1）按照图1.6（a）搭接电路，并加上5V直流电源。

（2）调节 RP 使二极管两端电压VD依次为表中所示数值，并读出相应的电流表数值ID填入表中。

（3）搭接图1.6（b）电路，并加上12V直流电源。调节RP使二极管两端电压VD依次为表中所示数值，并读出相应的电流表数值ID填入表中。

（4）绘制被测的稳压管伏安特性曲线

在坐标纸上以VD为横坐标，ID为纵坐标，将实验数据整理并画出正、反向伏安特性曲线。

想一想

1.电子整机电路中，工作状态的二极管状态是否正常，该如何判断？

2.如何判断线路中的二极管是导通还是截止？

3.二极管单向导电的含义是什么？解释其原因。