二极管知识简介

二极管知识简介

打开任何一本较为系统地介绍电子技术的教程,都会在介绍二极管之前对半导体材料的原子结构、电子与空穴、 P-N结/N-P结等预备知识作详细的介绍。这些对理解半导体器件的工作原理固然有铺垫作用, 但我们更侧重的是器件应用方面的知识, 所以本书中忽略了上述一些枯燥的预备知识 。 即使这样, 对我们使用二极管也不会有太大的影响 。

1、

二极管是一个有两个引脚的半导体器件, 这两个引脚一个是正极 (或称阳极, anode) , 另一个是负极(或称阴极, cathode) 。二极管电路符号倒三角一端为正极,短线一端为负极,其可以标记为,其中字母A代表正极, K代表负极。

   发光二极管和光电二极管长脚为正极,短脚为负极(新买的器件) 。 其他一些小功率的二极管有一个圆柱形的外壳, 两端为管脚 。 在外壳一端一般都有一个色环 (银色、 黑色、白色等)或“围裙”作为二极管负极的标记,如图1-46所示,与这些标记同侧的管脚为负极,另一侧的管脚则为正极。注意,在电路中,二极管的正极、负极是不能接反的,否则二极管发挥不了作用 。


2. 二极管的单向导电特性

在绘制图1-47所示的电路时,可先完成图1-47 (a)所示电路,然后用鼠标框选整个电路, 单击工具栏上的复制按钮()或按 Ctrl+c快捷键, 然后单击工具栏上的粘贴按钮 ()或按 Ctrl+V快捷键并在工作窗口适当位置放置一幅与图1-47(a)完全相同的电路图, 然后把二极管垂直翻转并重新连接导线即可完成 。

二极管在图1-30所示的 Multisim 2001元器件栏中的按钮是,单击这个按钮是,在弹出的二极管器件集合中选择第一个实际二极管, 在弹出的型号选择对话框中选用 IN4001

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后单击 0K按钮并放置到工作窗口中 。 图1-47中的电流表()在元器件栏的指示器件( ), 单击它并在弹出的指示器件集合中选择电流表 () , 在弹出的电流表选择窗口中选择第4,即正极接线柱在下、负极接线柱在上的。图1-47中的电池、电阻按1.2.4 节介绍的方法取用, 连接完导线后打开仿真开关 () , 很快在两块电流表上出现了读数: 一个是0.011A,另一个是0.270nA,如图1-47所示。

1-47 (a)中,电流从电池正极出发,经过电流表(电流表为理想电流表,电阻极小)、电阻 R1 后进入二极管 D1 的正极, 并从负极流出后回到电池负极, 这符合二极管单向导电的要求一电流从正极流向负极, 所以电路中有电流出现, 其大小为 0.011A。 此时我们称二极管获得正向偏置(forward bias) ,有正向电流(forward current)流过。

而图1-47 (b)中,二极管D2极性与刚才对调,电流无法从它的负极流到正极,电路中几乎没有电流形成, 所以电流表读数只有   , 此时我们称

从电流表的读数知道, 正向偏置时电路里的电流为反向偏置时的 40000000 倍(0.011A/0.270nA) !说明二极管正向偏置时导通,电路中有电流形成;而反向偏置时截止, 电路的电流极小而一般忽略为无电流流过 。

现在可以确信, 二极管是一个具有单向导电特性的器件了 。 每当提起二极管时, 脑子里就马上要想到 “単向导电特性” , 这样才算是一名合格的电路设计师 。 为了加深这个印象, 下面再通过两个仿真实例来体会一下 。

 

首先我们解释一下图1-48所示的两个电路图: 图中都由二极管 D1和电阻 Rl构成主要的电路功能器件,1-48 (a)在Multisim 2001中绘制,用于仿真,所以还放置了交流电压源V1、接地符号、示波器XSC1;而图-48 (b)在Protel软件中绘制(专业绘制电路图、印刷电路板图的软件之一) ,并不用于仿真,只是一张标准的电路图。图1-48 (b)中代表输入信号, 代表输出信号 。于是我们在 Multisim2001仿真中添加了输入信号(交流电压源 V1) , 并用示波器 XSC1观察输出信号。

所以图 1-48所示的两个电路图功能相同, 只不过一个是在仿真软件中绘制, 另一个在电路设计软件中完成。 电路的原理为: 交流电压信号从二极管 D1的正极流入, 从负极流出,经过电阻 R1接入地中形成回路,输出端 与示波器相连,示波器观察的是输入信号经过

示波器的通道A和通道B分别用来观察电路输入和输出的信号, 为了观察方便, 一般可把其中一个通道的颜色改变一下, 以便在示波器观察窗口中区分两个信号, 方法是在示波器某一通道的导线上右击, 在弹出的快捷菜单中选择 Color…选项, 从弹出的颜色选择对话框中选择一种较为突出的颜色 (如绿色、 红色等) 即可。

这样就完成了仿真电路的绘制, 进入仿真阶段 。 双击示波器XSC1, 弹出示波器观察窗口 。打开 Multisim仿真开关() ,示波器观察窗口出现了波形,把示波器的 Timebase 栏的 Scale设为500µs/Div,通道A和通道B的Scale都设为500mV/Div(可参考附录D中关于示波器的设置介绍) ,就可得到图1-49所示的输入、输出波形,为了便于观察,本书在有输入、 输出波形同时出现在一个示波器时, 特意把输出波形加粗了 。


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图1-49所示的实验结果表明,当向图1-48(b)所示电路输入幅度为1V、频率1000Hz的正弦信号时, 经过二极管的处理, 输出信号在电阻 R1 两端出现了一个只有一半的正弦信号一其负半周不见了 。 这说明当输入信号在正半周时, 二极管 D1 获得正向偏置而导通,输入信号得以通过二极管 D1而在输出端出现; 而当输入信号在负半周时, 二极管 D1 反向偏置而截止, 没有信号能通过二极管 D1 , 从而在输出端出现一个幅度为0V的水平线。 该实例再次说明了二极管的单向导电特性。    

如果把例1.6中的二极管 D1正极、负极对调会对输出信号产生什么影响呢?可以在Multisim 2001中连接如图1-50所示的电路,通过仿真得到如图1-51所示的输入、输出波形 。可见, 输出信号只有负半周部分, 请大家分析一下这个输出信号的由来 。

 

通过以上3个仿真实例, 得到的结论是: 二极管果然具有单向导电特性 。

3. 二极管的正向偏置和反向偏置

从例 1.5 看到二极管只有在正向偏置时才会导通, 有电流从正极流向负极; 而在反向偏置时截止, 没有电流通过。其实二极管的电路符号早就暗示这一点了: 图1-52所示二极管电路符号的左侧管脚和实心的三角形是不是构成了一个指向负极的箭头? 这就提示当二极管获得正向偏置后, 电流只能单向从正极流向负极 。 如果电流妄想从负极流入二极管, 则会遇到电路符号中与管脚垂直的坚强 “挡板” 。

 

二极管正向偏置是有一定条件的一正极的电压要高于负极, 或者说需要一个正向电压(, forward voltage) ,这样电流才能“闯过”二极管,二极管才能导通。

这个令二极管导通的正向电压是的大小与二极管的种类有关 。 二极管一般由硅(Si)

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或锗(Ge)半导体材料制成,使用硅材料制成的二极管称为硅管(silicondiode) ,而使用锗材料制成的二极管称为锗管 (germaniumdiode) 。令硅管和锗管导通的正向电压是不一样的,如表1-2所示。

 

表1-2明显地说明, 硅管导通所需的正向电压较锗管的高。 问题是怎么知道某个二极管是硅管还是锗管?有一种非常直接的方法是用万用表的电阻挡对二极管进行测量,如图1-53所示,万用表红表笔(正极)接二极管的负极,黑表笔(负极)接二极管的正极。 如果被测阻值在 1kΩ 左右说明是锗管; 如果阻值为 4~8kΩ 则为硅管 。

4.二极管的伏安特性

从表1-2知道了硅管和锗管导通所需的正向电压分别为 0.7V和 0.15V,这个指标非常有帮助。 如果能知道二极管导通时的正向电流有多大那就更好了 。 而这个问题的答案都藏在一张神秘的图表中一二极管伏安特性曲线 。 每个型号的二极管都有各自对应的伏安特性曲线, 这是一个经常涉及的二极管的重要参数 。

例如二极管 IN4148 的技术文档中有一幅描述该二极管伏安特性的曲线图, 如图 1-54 所示。 横坐标是施加在二极管两端的正向电压, 纵坐标是流过二极管的正向电流 fF。

图l-54所示的伏安特性曲线告诉我们二极管1N4l48正向电压 MF与正向电流fF之问的关系: 当施加在二极管1N4148上的正向电压 MF从0V开始慢慢增大,在 0.7V之前(图中箭头所指) IN4148都没有导通,所以正向电流一直接近 0mA; 当正向电压超过 0.7V并继续增大时情况发生了明显的变化, 正向电流打破0mA 并随着正向电压的继续增大而快速加强。

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这说明在二极管1N4148上施加的正向电压超过约 0.7V 时,正向电流始形成,1N4148导通。

图1-54的横坐标单位是V() ,纵坐标单位是mA(毫安) 。于是图中曲线称为二极管的伏安特性曲线, 不同型号二极管拥有自己的伏安特性曲线, 从中我们可以得到二极管的伏安特性:

二极管导通所需的正向电压。如图1-54所示的二极管1N4148导通所需正向电压约为 0.7V。 由此还可以结合表1-2来判断二极管是硅管还是锗管。

二极管正向电流与正向电压之间的关系。如图1-54所示当正向电压为 0.7V,对应正向电流约为20mA; 当正向电压lV时正向电流约为200mA 等。

我们可以通过 Multisim 2001对图1-54所示的二极管1N4148的伏安特性曲线进行验证。


图1-55的二极管 D1型号为1N4148,可按例1.6的方法从 Multisim的元器件栏中取用; 电池 V1、电阻 R1、电压表、电流表也按1.2.4节介绍的方法取用;发光二极管 LED1在Multisim2001元器件栏的二极管集合(如图1-30所示),图标为。这是一种通电会发光的器件,广泛应用于指示灯、照明器件中(见8.2.1) 。在仿真运行以前发光二极管LED1的箭头是空心的,代表熄灭。完成图1-55所示的电路连接后打开仿真开关,发光二极管 LEDl1有电流流过而被点亮, 箭头变成实心, 同时电压表和电流表也都有了读数, 分别为 0.714V和 0.020A。

发光二极管 LED1被点亮说明电路中有电流流过, 二极管 D1导通。

电压表与二极管 D1并联,测量二极管 D1的正向电压;电流表与电路串联,测量的是二极管D1的正向电流。仿真得到 =0.714V, =0.020A,这个点不就在图1-54所示的1N4148伏安特性曲线上吗?

因此验证了伏安特性曲线所描述的二极管的正向电压和正向电流之问的关系正确性 。

从特殊到一般, 是学习电子技术的一个非常好的方法 。 以上是用一个具体的二极管一1N4148来了解了什么是伏安特性曲线, 并从它的伏安特性曲线上知道当正向电压=0.7V时二极管开始导通, 这样结合表1-2还推测出1N4148是一个硅管。

那是不是所有的硅管都有类似的伏安特性曲线呢? 答案是肯定的 。 锗管也有一个能广泛代表其特性的曲线, 如图1-56所示。

 

对于图1-56所示的硅管(实线)和锗管(虚线)伏安特性曲线有两点值得注意:

二极管正向偏置时(阴影区) ,一开始,正向电流非常小(几乎等于0) ,直到正向电压高于 0.6V(硅管)或 0.2V(锗管)之后,正向电压的很小变化都会造成正向电流的急剧改变 。

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图 1 -56 只是对硅管和锗管伏安特性的一般化描述, 针对不同型号的二极管还需要査阅具体的器件技术文档才能获得更确切的伏安特性曲线。

5.技术文档告诉我们什么

比如手上有一个型号为1N4001的二极管,把型号1N400l输入到搜索引擎(www.google.co.uk),在搜索结果中标记为[PDF]的一般都为技术文档,打开之后就会看到如图 1-57所示的文档, 该文档第一页就有一些参数是选用二极管时需要考虑的:

 

  二极管型号1N4001~1N4007。图1-57所示的技术文档是型号为1N40011N4002

    1N4003、1N40041N40051N40061N40077种二极管的共同技术文档,

    明这7种二极管特性相似, 只是某些参数有所不同, 所以共用同一个技术文档 。

  最大反向电压(peak repetitive reverse voltage) 。如果施加在二极管上的反向

电压超过了最大反向电压时会击穿二极管 。 不同型号的二极管所能承受

的最大反向电压不同, 1N4001、1N40021N4003、1N40041N40051N4006

1N4007的最大反向电压分别为50V100V200V400V600V800V

1000V。

  平均正向电流 (averagerectified forward current) 。该参数描述的是二极管所

能承受的正向电流的平均值, 不同型号的器件所能承受的最大平均正向电流

不同 。 如二极管 1N4001~1N4007 的平均正向电流 =1.0A, 说明通过

1N400l~lN4007的平均正向电流不能持续超过1.0A, 否则器件将会烧坏。

  正向电压 (Forward Voltage@ 1.0A) 。该参数一般描述的是当通过二极管的电

流达到平均正向电流时对应的二极管正向电压的大小 。 如果二极管

1N4001~1N4007通过的正向电流为1.0A,根据图1-57所示正向电压 =1.1V。

为了适应各种场合的需要, 不同型号的二极管其最大反向电压、 平均正向电流、正向电压等参数不尽相同。二极管选型时,要保证施予它的反向电压、正向电流的平均值不要超过其技术文档中规定的极限。

6.二极管的正向压降                  

在例1.7, 使用一个电压表测量二极管 D1两端电压而得知其正向电压 , 这个电压又称为二极管的正向压降(forward voltage drop) ,因为二极管D1的存在,使得电压经过它之后有所下降。 所以, 对于导通的二极管, 其正向电压和正向压降指的是同一个参数, 具有相同的值 。

另外,从二极管的伏安特性曲线可知(如图1-56所示) ,当正向电流提高后,其正向压降(正向电压)也有所增加,但变化不大,一般可认为当二极管导通时,其正向压降为恒定值 0.7V(硅管)或 0.l5V(锗管) ,即与表1-2所示的二极管导通所需的正向电压相等 。 可以这样理解:



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