二极管的单向导电性及伏安特性曲线和最高工作频率

1.PN结的形成

当P型半导体（含有大量的正电荷）和N型半导体（含有大量的电子）结合在一起时，P型半导体中的正电荷向N型半导体中扩散，N型半导体中的电子向P型半导体中扩散，于是在P型半导体和N型半导体中间就形成一个特殊的薄层，这个薄层称之为PN结，该过程如图4-47所示。

图4-47 PN结的形成

从含有PN结的P型半导体和N型半导体两端各引出一个电极并封装起来就构成了二极管。与P型半导体连接的电极称为正极（或阳极），用“+”或“A”表示，与N型半导体连接的电极称为负极（或阴极），用“-”或“K”表示。

2.二极管结构、图形符号和外形

二极管内部结构、图形符号和实物外形如图4-48所示。

图4-48 二极管

3.二极管的性质

（1）性质说明

下面通过分析图4-49所示的两个电路来详细介绍二极管的性质。

在图4-49a所示电路中，当闭合开关S后，发现灯泡会发光，表明有电流流过二极管，二极管导通；而在图4-49b所示电路中，当开关S闭合后灯泡不亮，说明无电流流过二极管，二极管不导通。通过观察这两个电路中二极管的接法可以发现：在图4-49a所示电路中，二极管的正极通过开关S与电源的正极连接，二极管的负极通过灯泡与电源负极相连；在图4-49b所示电路中，二极管的负极通过开关S与电源的正极连接，二极管的正极通过灯泡与电源负极相连。

图4-49 二极管的性质说明图

由此可以得出这样的结论：当二极管正极与电源正极连接，负极与电源负极相连时，二极管能导通，反之二极管不能导通。二极管这种单方向导通的性质称为二极管的单向导电性。

（2）伏安特性曲线

在电子工程技术中，常采用伏安特性曲线来说明元器件的性质。伏安特性曲线又称电压电流特性曲线，它用来说明元器件两端电压与通过电流的变化规律。

二极管的伏安特性曲线用来说明加到二极管两端的电压U与通过电流I之间的关系。二极管的伏安特性曲线如图4-50a所示，图4-50b、c则是为解释伏安特性曲线而画的电路。

图4-50 二极管的伏安特性曲线

在图4-50a所示的坐标图中，第一象限内的曲线表示二极管的正向特性，第三象限内的曲线则表示二极管的反向特性。下面从两方面来分析伏安特性曲线。

1）正向特性。正向特性是指给二极管加正向电压（二极管正极接高电位，负极接低电位）时的特性。在图4-50b所示电路中，电源直接接到二极管两端，此电源电压对二极管来说是正向电压。将电源电压U从0V开始慢慢调高，在刚开始时，由于电压U很低，流过二极管的电流极小，可认为二极管没有导通，只有当正向电压达到图4-50a所示的电压U_A时，流过二极管的电流急剧增大，二极管才会导通。这里的电压U_A称为正向导通电压，又称门电压（或阈值电压），不同材料的二极管，其门电压是不同的，硅材料二极管的门电压为0.5～0.7V，锗材料二极管的门电压为0.2～0.3V。

从上面的分析可以看出，二极管的正向特性是，当二极管加正向电压时不一定能导通，只有正向电压达到门电压时，二极管才能导通。

2）反向特性。反向特性是指给二极管加反向电压（二极管正极接低电位，负极接高电位）时的特性。在图4-50c所示电路中，电源直接接到二极管两端，此电源电压对二极管来说是反向电压。将电源电压U从0V开始慢慢调高，在反向电压不高时，没有电流流过二极管，二极管不能导通。当反向电压达到图4-50a所示电压U_B时，流过二极管的电流急剧增大，二极管反向导通了，这里的电压U_B称为反向击穿电压。反向击穿电压一般很高，远大于正向导通电压，不同型号的二极管反向击穿电压不同，低的十几伏，高的有几千伏。普通二极管反向击穿导通后通常是损坏性的，所以反向击穿导通的普通二极管一般不能再使用。

从上面的分析可以看出，二极管的反向特性是，当二极管加较低的反向电压时不能导通，但反向电压达到反向击穿电压时，二极管会反向击穿导通。

4.二极管的主要参数

（1）最大整流电流I_F(www.zuozong.com)

二极管长时间使用时允许流过的最大正向平均电流称为最大整流电流，或称为二极管的额定工作电流。当流过二极管的电流大于最大整流电流时，容易被烧坏。二极管的最大整流电流与PN结面积、散热条件有关。PN结面积大的面接触型二极管的I_F大，点接触型二极管的I_F小；金属封装二极管的I_F大，而塑封二极管的I_F小。

（2）最高反向工作电压U_R

最高反向工作电压是指二极管正常工作时两端能承受的最高反向电压。最高反向工作电压一般为反向击穿电压的^一半。在高压电路中需要采用U_R大的二极管，否则二极管易被击穿损坏。

（3）最大反向电流I_R

最大反向电流是指二极管两端加最高反向工作电压时流过的反向电流。该值越小，二极管的单向导电性越佳。

（4）最高工作频率f_M

最高工作频率是指二极管在正常工作条件下的最高频率。如果加给二极管的信号频率高于该频率，二极管将不能正常工作，f_M的大小通常与二极管的PN结面积有关，PN结面积越大，f_M越低，故点接触型二极管的f_M较高，而面接触型二极管的f_M较低。

5.二极管的极性判别

二极管引脚有正、负极之分，在电路中乱接轻则不能正常工作，重则损坏二极管。二极管极性判别可采用下面一些方法。

（1）根据标注或外形判断极性

为了让人们更好区分出二极管正、负极，有些二极管会在表面标注一定的标志来指示正、负极，有些特殊的二极管，从外形也可看出正、负极。图4-51所示左上方的二极管表面标有二极管符号，其中三角形端对应的电极为正极，另一端为负极；左下方的二极管标有白色圆环的一端为负极；右方的二极管金属螺栓为负极，另一端为正极。

（2）用指针万用表判断极性

对于没有标注极性或无明显外形特征的二极管，可用指针万用表的欧姆档来判断极性。万用表拨至R×100Ω或R×1kΩ档，测量二极管两个引脚之间的阻值，正、反各测一次，会出现阻值一大一小，如图4-52所示，以阻值小的一次为准，黑表笔接的为二极管的正极，红表笔接的为二极管的负极。

图4-51 根据标注或外形判断二极管的极性

图4-52 用指针万用表判断二极管的极性

（3）用数字万用表判断极性

数字万用表与指针万用表一样，也有欧姆档，但由于两者测量原理不同，数字万用表欧姆档无法判断二极管的正、负极（因为测量正、反向电阻时阻值都显示无穷大符号“1”），不过数字万用表有一个二极管专用测量档，可以用该档来判断二极管的极性。用数字万用表判断二极管极性如图4-53所示。

图4-53 用数字万用表判断二极管的极性

在检测判断时，将数字万用表拨至“”档（二极管专用测量档），然后红、黑表笔分别接被测二极管的两极，正、反各测一次，测量会出现一次显示“1”，如图4-53a所示，另一次显示100～800的数字，如图4-53b所示，以显示100～800数字的那次测量为准，红表笔接的为二极管的正极，黑表笔接的为二极管的负极。

在图4-53所示测量中，显示“1”表示二极管未导通，显示“585”表示二极管已导通，并且二极管当前的导通电压为585mV（即0.585V）。

6.二极管常见的故障及检测

二极管常见故障有开路、短路和性能不良。

在检测二极管时，将万用表拨至R×1kΩ档，测量二极管正、反向电阻，测量方法与极性判断相同。正常锗材料二极管正向阻值在1kΩ左右，反向阻值在500kΩ以上；正常硅材料二极管正向电阻在1～10kΩ，反向电阻为无穷大（注：不同型号万用表测量值略有差距）。也就是说，正常二极管的正向电阻小、反向电阻很大。

若测得二极管正、反电阻均为0，说明二极管短路；若测得二极管正、反向电阻均为无穷大，说明二极管开路；若测得正、反向电阻差距小（即正向电阻偏大，反向电阻偏小），说明二极管性能不良。