1.4　特殊二极管

除普通二极管外，还有一些二极管由于使用的材料和工艺特殊，从而具有特殊的功能和用途，这种二极管属于特殊二极管，如稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等。

1.4.1　稳压二极管

稳压二极管（又称齐纳二极管）是一种特殊的面接触型硅二极管，由于它在电路中能起稳定电压的作用，故称为稳压二极管，简称稳压管，其伏安特性及符号如图1.15所示。稳压二极管工作在反向击穿区，则当反向电流的变化量ΔI较大时，管子两端相应的电压变化量ΔU都很小，说明其具有“稳压”特性。

下面分析稳压二极管的主要参数与稳压二极管应用电路。

1.稳压二极管参数

（1）稳定电压UZ

UZ是指稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳定电压UZ是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化，所以测试UZ时应使稳压管的电流为规定值。不同型号的稳压管，其稳定电压的值不同。对于同一型号的稳压管，由于制造工艺的分散性，各个不同管子的UZ值也有些差别。例如稳压管2DW7C其UZ=6.1～6.5V，表示型号同为2DW7C的不同的稳压管，其稳定电压有的可能为6.1V，有的可能为6.5V等，但并不意味着同一个管子的稳定电压会有如此大的变化范围。

（2）稳定电流IZ

IZ（IZmin）是指稳压管的工作电压等于稳定电压时通过管子所需的最小电流。若低于此值，无稳压效果；若高于此值，只要不超过最大工作电流IZM均可以正常工作，且电流愈大，稳压效果愈好。

（3）动态内阻rz 

rz指稳压管两端电压和稳压管中电流的变化量之比，即rz=ΔUZ/ΔIZ，稳压管的反向特性曲线愈陡，则动态内阻愈小，稳压性能愈好。

（4）电压的温度系数αU

αU表示当稳压管的电流保持不变时，环境温度每变化一度能引起的稳定电压变化的百分比。一般来说，稳定电压大于7V的稳压管（属于雪崩击穿）的αU为正值，稳定电压小于4V的稳压管（属于齐纳击穿）的αU为负值，而稳定电压在4～7V之间的稳压管（两种击穿都有可能发生，也可能同时发生）的温度稳定性较好。

（5）最大工作电流IZM和最大耗散功率PZM

IZM（IZmax）是指管子允许通过的最大电流。PZM等于最大工作电流IZM和它对应的稳定电压UZ的乘积，它是由管子的温升所决定的参数。

IZM和PZM是为了保证管子不发生热击穿而规定的极限参数。

注意

稳压管应用时需注意几个问题：第一，应确保稳压管工作在反向偏置状态（除利用正向特性稳压外）；第二，稳压管工作时的电流应在IZ和IZM之间，因而电路中必须串接限流电阻；第三，稳压管可以串联使用，串联后的稳压值为各管稳压值之和，但不能并联使用，以免因稳压管稳压值的差异造成各管电流分配不均匀，引起管子过载而损坏。

2.稳压二极管稳压电路

稳压二极管组成的稳压电路如图1.16所示，其中UI为未经稳定的直流输入电压，R为限流电阻，RL为负载电阻，UO为稳压电路的输出电压。

（1）稳压原理

在图1.16所示的稳压电路中，使UO不稳的原因主要有两个：一是UI的变化；另一个是RL的变化。下面分析电路的稳压原理。

当负载电阻RL不变，而UI增大时将引起输出电压UO上升，使稳压管两端反向电压增加。由于其动态内阻极小，所以将使流过稳压管的电流IZ剧增，I也增加，R上的电压UR随之增大，补偿了UI增大，使UO几乎保持不变。

当UI不变，而负载电阻RL减小时，将引起输出电流IO上升，使输出电压UO下降，稳压管两端反向电压也随之下降，由于其动态内阻极小，这将使IZ大大减小，I也随之减小，R上的电压UR减小，补偿了UO减小，使UO几乎保持不变。

（2）电路参数计算

提示

选择稳压二极管：稳压二极管是电路的关键器件，担负着稳压电路的调节作用。为了使稳压电路能够满足输出电压UO和负载电流IL的要求，选择稳压管时要留有一定的富裕量。一般情况下，可以按UZ=UO及IZM=（1.5～3）IOmax，这是因为当负载开路时，所有电流都要流过稳压管，另外在电源电压升高时，也会使流过稳压二极管的电流增加。

确定稳压电路输入电压UI：一般取UI=（1.5～2）UO。

确定限流电阻R时，应考虑以下两种极限情况。

输入直流电压UI为最大值，同时负载电流为最小值，这时流过稳压管的电流最大，为了不烧毁稳压管，此时的电流应小于稳压管的最大工作电流IZM，因此限流电阻R的最小值应满足：

输入电压为最小值，同时负载电流为最大值IOmax，此时流过稳压管的电流为最小，为保证稳压管工作在击穿区，应保证流过稳压管的电流不小于稳压管的稳定电流IZ，因此限流电阻R的最大值应满足：

限流电阻R的选择公式如下：

　　（1.6）

限流电阻R的阻值选得小一些，电阻上的损耗就会小一点； R的阻值选得大一些，电路的稳压性能就好一些。若出现不正常现象，则说明初选的稳压管的最大工作电流太小，应选IZM比较大的管子。

归纳

稳压二极管稳压电路结构简单，但性能指标较低、输出电压不能调节、输出电流受稳压管的IZM限制，故这种稳压电路只能用在输出电压固定、输出电流变化不大的场合。稳压二极管除了实现稳压以外，还可以组成限幅电路，如在运算放大器组成的电压比较器中用稳压二极管来限定输出电压大小。

请用实验来测试图1.16所示电路的稳压功能（或用Multisim软件仿真）。

1.4.2　变容二极管

变容二极管是利用PN结具有电容特性的原理制成的特殊二极管，其符号如图1.17所示。

变容二极管结电容随外加电压而变化，二极管（PN结）的电容效应按产生的原因可分为扩散电容和势垒电容，扩散电容是由于载流子在扩散运动中的积累所形成的，PN结正向偏置时，扩散电容大，反向偏置时，扩散电容很小，一般可以忽略。势垒电容是由空间电荷层中的电荷量变化形成的，PN结正向偏置时，势垒电容很小，反向偏置时，势垒电容大。

注意

扩散电容和势垒电容都随外加电压的改变而改变，与普通电容不一样，属非线性电容。PN结的结电容是扩散电容和势垒电容之和，PN结正向偏置时，以扩散电容为主，PN结反向偏置时，则以势垒电容为主。

变容二极管可用于电子调谐、调频、调相和频率的自动控制等电路中。

1.4.3　发光二极管

发光二极管（LED）是一种将电能转换成光能的特殊二极管（发光器件），其外形及符号如图1.18所示。

通常制成发光二极管的半导体中掺杂浓度很高，当管子外加正向电压时，大量的电子和空穴在空间电荷区复合时释放出的能量大部分转为光能，从而使发光二极管发光。

发光二极管光的颜色（光谱的波长）由制成二极管的材料决定，常用的发光材料是砷化镓、磷化镓等，可以发出红、黄和绿等可见光，也可以发出看不见的红外光。

发光二极管正向偏压远大于硅二极管，一般是在1.2～3.2V之间，而发光二极管反向击穿电压远小于硅二极管（一般为3～10V之间）。

注意

发光二极管使用时必须正向偏置，其工作电流一般在几毫安至几十毫安，使用时应串联限流电阻。由于发光二极管的反向耐压较低，通常在发光二极管的两端反向并联一个二极管，起到保护作用。

发光二极管因其具有驱动电压低、功耗小、寿命长和可靠性高等优点，因而通常用做显示器件，广泛应用于显示电路中，除单个使用外，还可以用多个PN结按分段式制成数码管或做成点阵式显示器。发光二极管的另一个重要用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号，组成光电传输系统，应用于光纤通信和自动控制系统中，此外它还可以与光电管一起构成光电耦合器件。

1.4.4　光电二极管

光电二极管又称光敏二极管或远红外线接收管，是一种光能与电能进行转换的器件，是将光信号转换为电信号的特殊二极管（受光器件），其结构及符号如图1.19所示。光电二极管的结构与普通二极管一样，其基本结构也是一个PN结，它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入。

光电二极管工作在反向偏置下，在无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，该电流称为暗电流，此时光电二极管的反向电阻高达几十兆欧。当有光照时，产生电子-空穴对，统称为光生载流子，在反压的作用下，光生载流子参与导电，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流，此时光电二极管的反向电阻下降至几千欧至几十千欧。光电流与光照强度成正比，如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱而变化的电信号。所以，光电二极管又叫光敏二极管。

归纳

光电二极管一般作为光电检测器件，将光信号转变成电信号。所以光电二极管可用来测量光照的强度，也可做成光电池。

1.4.5　激光二极管

激光二极管的符号与发光二极管一样，结构上与发光二极管很相近，它是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能（光反馈），因而形成一光谐振腔，使光电子在腔中多次反射，发生激光振荡。在正向偏置的情况下，PN结发射出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从PN结上发射出单波长的光，这样就产生了激光。而发光二极管没有光谐振腔，它的发光限于自发辐射，发出的是荧光，而不是激光。

归纳

激光二极管宜作为大容量、远距离光纤通信的光源。激光二极管也可以应用于小功率光电设备中，如计算机上的光盘驱动器、激光打印机中的打印头等。

思考题

1.在稳压二极管组成的稳压电路中限流电阻起什么作用？

2.变容二极管工作在什么偏压状态？其用途是什么？

3.发光二极管（LED）与光电二极管有何区别？

4.光电二极管正常工作时的偏压状态如何？

5.在没有光的条件下，光电二极管中有一个非常小的反向电流。该电流叫做什么？