1.1　半导体二极管及其应用电路

半导体二极管（ semicon-ductor diode）、晶体管、场效应晶体管是电路中常用的半导体器件，PN结（PN junction）是构成各种半导体器件的重要基础，本节首先讨论半导体的导电性和二极管的形成及其特点，接着介绍几种特殊二极管，最后介绍二极管的应用电路。

1.1.1　半导体基本知识

半导体（ semiconductor）指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，例如锗、硅、硒、砷化镓等。

注意：导体与绝缘体均只是相对意义上的概念，像空气平时不导电，但在雷雨天气极有可能导电！

半导体有以下三大特性。

① 热敏特性：温度每升高10℃，半导体的电阻率减小为原来的二分之一。利用热敏特性可制成热敏电阻等热敏元件。

② 光敏特性：一种硫化镉半导体，在没有光照时，电阻高达几十兆欧，受到光照时，电阻可降到几十千欧，相差上千倍。利用光敏特性，可制成光敏电阻、光电三极管等。

③ 杂敏特性：在硅中掺入亿分之一的硼，其导电能力增加两万倍以上。利用控制掺杂方法，制造不同类型的半导体器件如二极管、三极管等。

纯净的半导体（本征半导体，intrinsic semiconductor）掺入微量元素后就成为杂质半导体。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可分为N型半导体（N-type semiconductor）和P型半导体（P-type semiconductor）。P型和N型半导体的导电能力虽然较高，但并不能直接用来制造半导体器件。

PN结是构成各种半导体的基础。PN结是采用特定的制造工艺，使一块半导体的两边分别形成N型半导体和P型半导体，它们交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性（unilat-eral conductivity），即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流（forward current）较大，PN结处于导通状态（turn-on state）；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态（cut-off state）。

1.1.2　半导体二极管

半导体二极管管芯是一个PN结。在管芯两侧半导体上分别引出电极引线，用管壳封装后制成二极管。由P型半导体引出的是正极（又称阳极），由N型半导体引出的是负极（又称阴极）。使用二极管时，极性不能接错（常在管壳上标明色点，表示该端为正极；或标以二极管符号，箭头表示正向电流的方向）。如图1-2所示为常见二极管的外形。

按二极管结构不同，可分为点接触型、面接触型和平面型三种。点接触型二极管PN结面积很小，结电容小，适用于高频（几百兆赫兹）、小电流（几十毫安以下）的场合，主要应用小功率整流、高频检波和开关电路，如图1-3（a）所示；面接触型二极管的PN结面积大，结电容也大，适用于低频（几十千赫兹以下）、大电流（几百毫安以上）场合，主要应用于整流，如图1-3（b）所示；平面型二极管：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大，如图1-3（c）所示。如图1-3（d）所示为二极管的图形符号。

1.二极管的伏安特性

二极管的核心是PN结，因此它同样具有单向导电特性。常利用通过二极管的电流与加于二极管两端电压之间的关系绘制出伏安特性曲线，如图1-4所示为某硅二极管的伏安特性曲线。

（1）正向特性

外加正向电压很小时，几乎没有电流通过二极管。正向电压超过某数值后，才有正向电流流过二极管，这一电压值称为死区电压，又称门坎电压。锗管死区电压U_T约为0.1V，硅管的死区电压约为0.5～0.7V。

当外加电压超过死区电压时，内电场被大大削弱，二极管导通，电阻大大减小，正向电流随电压增高而迅速增大。在正常使用电流范围内，二极管两端电压几乎维持恒定。在室温下，小功率锗管（正向导通电压）约为0.2～0.3V，硅管约为0.6～0.8V。

二极管正向导通时，正向压降很小，二极管相当于一个闭合的开关。如图1-5所示为二极管的正向导通电路。

二极管正向特性测试仿真电路如图1-6所示，通过虚拟直流电压表上可以看出二极管导通后其两端的电压基本维持在0.6～0.7V之间，电路中的电流等于电阻上的电流，。

（2）反向特性

当二极管加上反向电压时，只有极小的反向电流流过二极管。在同样的温度下，硅管的反向电流比锗管小很多，锗管是微安级（μA），硅管是纳安级（nA）。

二极管的反向电流具有两个特点：第一个特点是它随温度上升而增长很快，另一个特点是只要外加的反向电压在一定范围之内，反向电流基本不随反向电压变化。

二极管反向特性测试仿真电路如图1-7所示，通过虚拟直流电压表上可以看出二极管反向截止后其两端相当于开路，二极管两端电压等于电源电压，电路中的电流几乎为零。

（3）反向击穿特性

当二极管反向电压加到一定数值时，反向电流突然增大，二极管失去单相导电性，这种现象称为反向击穿，相应的电压称反向击穿电压，用U_（BR）表示。二极管击穿时，加在PN结上的电压、电流均很大。若没有限流措施，将会因电流大、电压高，将使管子过热而造成永久性的损坏，这叫做热击穿。

一般点接触型二极管反向击穿电压为数十伏，面接触型的为数百伏，最高可达几千伏。

【例1-1】　写出图1-8所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U_D=0.7V。

解：求解这类题目的关键在于判断二极管VD是导通还是截止，例如图1-8（a）中二极管VD的阳极与电源U_I的正极相连，因此可以判断出二极管VD处于导通状态，已知二极管导通电压U_D=0.7V，U_I=U_D+U_O1，由此可以得出U_O1=1.3V。

由此可以计算出U_O2=0，U_O3=-1.3V，U_O4=2V，U_O5=1.3V，U_O6=-2V。

2.二极管的主要参数

（1）最大正向电流I_F

二极管长期工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流值。实际应用时，通过二极管的正向平均电流不得超过此值。

（2）最高反向工作电压U_RM

二极管不被击穿所容许的最高反向电压。为安全起见，最高反向工作电压约为反向击穿电压的一半。使用时，加在二极管两端的反向电压峰值不能超过U_RM值。

此外，还有反向电流、正向管压降等参数。

1.1.3　温度对二极管伏安特性的影响

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流大约增加1倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加1倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降U_F将减小。在室温条件，温度每增加1℃，二极管的正向压降U_F减小2～2.5mV，即具有负的温度系数。

1.1.4　整流电路

二极管具有单向导电性，因此可以利用二极管的这一特性组成整流电路，将交流电压变成单向脉动电压。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波和单相桥式电路。

1.单相半波整流电路

（1）电路组成及工作原理

图1-10为单相半波整流电路，电路中用变压器T将电网的正弦交流电压u₁变成u₂，设

式中，U₂为变压器二次侧的交流有效值。在u₂的正半周二极管VD因正向偏置而导通，有电流流过二极管和负载。若不计二极管正向导通电压，则负载电压等于变压器二次电压，即

在u₂的负半周时，二极管反向偏置而截止，因此二极管电流和负载电流均为零。此时，二极管两端承受一个反向电压，其值就是变压器二次电压，即

在图1-11中画出了整流电路中各处的波形图。这种电路利用二极管的单向导电性，使电源电压的半个周期有电流流过负载，故称半波整流电路。半波整流在负载上得到的是单向脉动直流电压和电流。

启动仿真软件，在电源库中选择交流电源（输入电压最大值为20V，频率50Hz），在基本元件库中选择二极管和电阻、双通道示波器。A通道为输入电压波形，B通道为半波整流后的输出电压波形。仿真电路如图1-12所示，仿真后的输出电压波形如图1-13所示。

（2）负载上的直流电压和电流的估算

直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。半波整流电路为

即

U_L≈0.45U₂　　（1-1）

负载的电流平均值为

　　（1-2）

（3）二极管的选择

流经二极管的电流I_D（平均值）与负载电流I_L相等，故选用二极管要求其

I_F≥I_D=I_L　　（1-3）

由图1-11可见，二极管承受的最大反向电压就是变压器二次侧交流电压u₂的最大值，即

　　（1-4）

根据I_F和U_RM的计算值，查阅有关半导体器件手册选用合适的二极管型号使其定额大于计算值。

2.单相全波整流电路

（1）变压器中心抽头的全波整流电路

① 电路组成及工作原理。全波整流电路利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使VD₁、VD₂在正半周和负半周内轮流导电，而且二者流入R_L的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。

全波整流电路的原理图见图1-14。变压器的两个二次电压大小要相等。

当u₂的极性为上正下负时（设正半周）VD₁导通，VD₂截止，i_D1流过R_L，在负载上得到的输出电压极性上正下负。

当u₂的极性为上负下正时（设负半周），VD₁截止，VD₂导通，由图可见，i_D2流过R_L时产生的电压极性与正半周时相同，因此在负载上得到一个单方向的脉动电压。全波整流电路的波形如图1-15所示。

② 负载上的直流电压和电流的计算。将图1-15中的U_L波形与图1-11比较，可知全波整流电路负载上得到的输出电压或电流的平均值是半波整流电路的两倍，即

　　（1-5）

　　（1-6）

③ 整流二极管的选择。流经二极管的电流平均值I_D为负载电流I_L的一半，故选择二极管要求其

　　（1-7）

由图1-16可知，在正半周VD₁导通，VD₂截止，此时变压器两个二次电压全部加在二极管VD₂的两端，因此二极管承受的反向峰值电压是的两倍，即

　　（1-8）

除了上述缺点以外，全波整流电路必须具有中心抽头的变压器，而且每个线圈只有一半时间通过电流，所以变压器的利用率不高。

（2）桥式整流电路

为了克服全波整流的缺点，采用如图1-17（a）所示的桥式整流电路。电路中采用了四个二极管，接成桥式，故称桥式整流电路。电路也可画出图1-17（b）所示的简化形式。

① 工作原理。整流过程中，四个二极管两两轮流导通，因此正、负半周内都有电流流过R_L，从而使输出电压的直流成分提高。在u₂的正半周，VD₁、VD₃导通， VD₂、VD₄截止；在u₂的负半周，VD₂、VD₄导通， VD₁、VD₃截止。但是无论在正半周或负半周，流过R_L的电流方向是一致的。桥式整流电路波形如图1-18所示。

② 负载上的直流电压和电流与全波整流电路一样有

　　（1-9）

　　（1-10）

③ 整流二极管的选择。二极管的最大整流电流

　　（1-11）

二极管的最大反向电压，按其截止时所承受的反向峰值电压有

　　（1-12）

由式（1-12）可见，在相等的U_L条件下桥式整流的二极管所承受的最大反向电压仅为变压器具有中心抽头的全波整流电路的一半。

打开仿真软件，在电源库中选择交流电源（输入电压有效值220V，频率50Hz），在基本元器件库里调出变压器、二极管组成的电桥MDA2501等元器件，搭建仿真电路如图1-19所示，双击XSC1虚拟示波器观察输入输出波形，A通道为输入电压波形，B通道为桥式整流后的输出电压波形，仿真后的输出波形如图1-20所示。

1.1.5　滤波电路

1.滤波的概念

前面讨论的整流电路，它们的输出电压都含有较大的脉动成分。除在一些特殊的场合使用外，通常都需要采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分；另一方面又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压。这样的措施就是滤波。滤波器一般由电感或电容以及电阻等元件组成。

脉动电压是一种非正弦的变化电压。按电工理论分析，它是由直流分量和许多不同频率的交流谐波成分叠加而成的。为了衡量整流电源输出电压脉动的程度，常用脉动系数S和纹波因数γ来表示。

脉动系数S便于理论计算，而纹波因数γ便于测量。

通过计算半波整流电路的脉动系数S=1.57，全波整流电路的脉动系数S=0.67。虽然全波整流电路输出电压波形的脉动程度比半波整流的减小一半，但输出电压脉动仍然比较大，对于大多数电子设备来说，是不能满足要求的。为此，需要采用滤波器，使脉动降低到实际应用所允许的程度。

2.电容滤波电路

为了便于说明工作原理，首先分析图1-21所示的半波整流电容滤波电路。

未接电容时，整流二极管在u₂的正半周导通，负半周截止，输出电压波形如图1-21（b）中虚线所示。

并联电容后，假设在ωt=0时接通电源，则当u₂由零逐渐增大时，二极管VD导通，由图1-21（a）可见，二极管导通时除了有一个电流i_L流向负载以外，还有一个电流i_C向电容充电，电容电压u_C的极性为上正下负，如果忽略二极管的压降，则在VD导通时u_C（即输出电压u_L）等于变压器二次电压u₂。u₂达到最大值以后开始下降，此时电容上的电压u_C也将由于放电而逐渐下降。当u₂＜u_C时，二极管被反向偏置而截止，于是，u_C以一定的时间常数按指数规律下降。直到下一个正半周当u₂＞u_C 时，二极管又导通，输出电压u_L的波形如图1-21（b）中实线所示。

桥式整流电容滤波的原理与半波时相同，其电路和波形见图1-22。

在图1-19的基础上在输出端增加滤波电容C，仿真电路如图1-23所示，用示波器观测波形，A通道为输入波形，B通道为输出波形，从图1-24所示的仿真波形中可以看出，虽然通过电容滤波使输出电压变得较平滑，但与平直的稳恒直流电压波形相去甚远。

根据以上分析可知，采用电容滤波后，有如下几个特点。

① 负载电压中的脉动成分降低了许多。

② 负载电压的平均值有所提高。在R_L一定时滤波电容越大，u_L越大。工程估算时可按下式进行。

　　（1-13）

通常按下式确定滤波电容。

　　（1-14）

式中，T为交流电源电压的周期。

③ 电容滤波电路中整流二极管的导通时间缩短了。由图1-21（b）和图1-22（b）可知，二极管的导通角大大小于180° ，而且电容放电时间常数愈大，则导电角愈小。由于加了电容滤波后，平均输出电流提高了，而导通角却减小了，因此，整流二极管在短暂的导通时间内流过一个很大的冲击电流，所以必须选择较大电流容量的整流二极管，电路的功率因数也较小。

当滤波电容进入稳态工作时，电路的充电电流平均值等于放电电流的平均值，因此二极管的最大整流电流可按下面式子选择，即

　　（1-15）

无论半波还是变压器带中心抽头的全波整流电路，二极管的最高反向工作电压均为：

　　（1-16）

而在桥式整流电容滤波电路中，则为：

　　（1-17）

④ 外特性变差，负载增大（即R_L减小）时，放电时间常数减小，故负载电压脉动增大（即γ和S都增大），并且负载平均电压U_L降低。当R_L→∞时，I_L=0，，R_L很小时，放电很快，几乎没有滤波作用，故U_L=0.9U₂（桥式）。

3. 电感滤波电路

如图1-25所示是一个桥式整流电感滤波电路。滤波电感L与负载R_L相串联。根据电感的特点，当输出电流发生变化时，L中将感应出一个反电动势，其方向将阻止电流发生变化，因而使负载电流和负载电压的脉动大为减小。频率愈高电感愈大，滤波效果愈好。电感线圈所以能滤波也可以这样理解：由于电感的直流电阻很小，交流阻很大，因此直流分量经过电感后基本上没有损失，但是对于交流分量，在感抗jωL和R_L分压以后，很大一部分交流分量降落在电感上，因而降低了输出电压的脉动成分。L愈大，R_L愈小，则滤波效果愈好，所以电感滤波适用于负载电流比较大的场合，采用电感滤波后，延长了整流管的导通角，因此避免了过大的冲击电流。在理想电感条件下，U_L=0.9U₂。

4.复式滤波电路

为了进一步减小输出电压中的脉动成分可以将串联电感和并联电容组成复式滤波电路。

1.1.6　特殊二极管

1. 稳压二极管

稳压二极管也称齐纳二极管，工作在反向击穿区；主要用在信号处理中限幅电路以及稳压电路中；稳压管理想状态时R_Z为0，即U_Z不变，但实际上是有偏移的，如图1-26所示是稳压管的电路符号和伏安特性曲线。

（1）稳压管的主要参数

① 稳定电压U_Z。稳定电压是指稳压管正常工作时，管子两端的电压，实际上就是它的反向击穿电压。型号不同，稳定电压不同。对某一稳压管，其稳定电压是一确定值。由于制造的分散性，同一型号的稳压管，其稳定电压有差异。因此实际应用中，如果需要一个较为精准的电压，可以在负载端再并一个电位器，用来调节电压（稳压管2CW54型，其稳定电压在5.5～6.5V之间）。

② 稳定电流I_Z。稳压管正常工作时的电流值。稳压管的工作电流必须在最小稳定电流与最大稳定电流之间。当小于最小稳定电流时，稳压管不能稳压；而大于最大稳定电流时，稳压管将过热而损坏。

③ 最大耗散功率P_ZM。稳压管正常工作时，不发生热击穿，所允许的耗散功率。

　　（1-18）

动态电阻r_Z：稳压管正常工作时，管子两端电压变化量与相应电流变化量之比，。它是表征稳压性能的重要参数。稳压管的反向特性曲线越陡，r_Z越小，稳压性能越好。稳压管的动态电阻随工作电流的增加而减少（2CW54工作电流为1mA，r_Z为500Ω；工作电流为10mA，r_Z为30Ω）。实际使用时，在允许电流范围内，适当增大工作电流，可以达到更好的稳压作用。

④ 电压温度系数C_TU。它是表示稳定电压受温度影响的参数，常用温度每升高1℃、稳定电压的相对变化量表示。即

　　（1-19）

C_TU越小，稳定电压U_Z受温度影响越小。一般来说，U_Z低于4V的稳压管的C_TU是负值，高于7V的稳压管的C_TU是正值。而U_Z为4～7V时稳压管的温度稳定性较好。

在要求温度稳定性较高的电路中，可将具有正温度系数和负温度系数的稳压管串联使用，使其相互补偿（如2DW230）。

（2）稳压管的应用

如图1-27所示是稳压管常用的稳压电路，R为限流电阻，负载R_L两端直流电压U₀=U_Z。

【例1-2】　已知图1-28所示电路中稳压管的稳定电压U_Z=6V，最小稳定电流I_Zmin=5mA，最大稳定电流I_Zmax=25mA。

（1）分别计算U_I为10V、15V、35V三种情况下输出电压U_O的值；

（2）若U_I=35V时负载开路，则会出现什么现象？为什么？

解：① 当U_I=10V时，若U_O=U_Z=6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。故

当U_I=15V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流I_Zmin，所以

U_O=U_Z=6V

同理，当U_I=35V时，U_O=U_Z=6V。

② =（U_I-U_Z）/R=29mA＞I_ZM=25mA，稳压管将因功耗过大而损坏。

2.发光二极管

发光二极管（LED）是一种将电能转换为光能的特殊二极管（发光器件）。如图1-29所示是其外形和电路符号。

发光二极管常用砷化镓、磷化镓等化合物半导体制成。发光的颜色主要取决于所用材料，可发出红、橙、黄、绿四种颜色。

发光二极管的PN结工作在正向偏置状态。其发光强度基本上与正向电流大小呈线性关系。

发光二极管具有体积小，工作电压低（正向电压约为1～2V），工作电流小（几毫安至十几毫安），发光均匀稳定以及寿命长等优点。常用来作显示器件。

在使用LED时，为使流过的正向电流不致过大，需要串接限流电阻。

3.光电二极管

光电二极管（光敏二极管），是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管（受光器件）。如图1-31所示是光电二极管的电路符号及特性曲线。它的管壳上嵌着玻璃窗口，以便于光线射入，如图1-32所示是光电二极管的外形。

光电二极管工作在反向偏置状态。在无光照时，反向饱和电流很小（一般小于1μA，称暗电流）。当有光照时，产生电子-空穴对，统称光生载流子。光线越强，光生载流子越多，在外电路反偏电压作用下，形成的反向电流越大，称为光电流。光电流与光照强度成正比，通过电路外接负载，可获得随光照强弱变化的电信号，从而实现光电转换或光电控制。无光情况下，接收电路的二极管相当于普通二极管，电流为0，此时相当于断开。当有光时，相当于恒流源，此时u_O为低电平，如图1-33所示是光电信号的传输电路。

不同材料的半导体对不同频率（波长）的光波反应不一样（硅光电二极管对0.8～0.9μm的红外光最敏感，锗光电二极管对1.4～1.5μm的远红外光最敏感）。

4.变容二极管

变容二极管是根据普通二极管内部 PN结的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管，如图1-34所示是变容二极管的电路符号及特性曲线。二极管的PN结具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，所以改变反向电压的大小可以改变PN结的结电容大小，这样二极管就可以作为可变电容器用。变容二极管是一种电抗可变的非线性电路元件，一般使用的材料为硅或砷化镓。变容二极管广泛用于参量放大器、电子调谐及倍频器等微波电路中。电容值一般为几十皮法到几百皮法。

5.肖特基二极管

肖特基二极管电容特性极小，因此在高速开关时使用，如图1-35所示是肖特基二极管的电路符号及特性曲线。肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压比较低。