电子技术基础
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1.2 半导体二极管

1.2.1 二极管的构成、符号及分类

1.二极管的构成

二极管是最简单的半导体器件,由一个PN结构成。在PN结的两个区分别引出电极引线,并用一定的外壳封装,就制成了半导体二极管,其结构示意图如图1.4所示。

图1.4 二极管结构示意图

从PN结P区引出的电极称为正极(或阳极),从N区引出的电极称为负极(或阴极),其电路符号如图1.5所示,三角箭头的方向表示二极管正向电流的流通方向,正向电流只能由P区流向N区,二极管的文字符号在国际标准中用VD表示。由于用途和封装的不同,二极管的外形各异,几种常见的二极管外形如图1.6所示。

图1.5 二极管电路号

图1.6 二极管常见外形

2.二极管的分类

二极管的种类很多,按所用的半导体材料分,有硅二极管、锗二极管、砷化镓二极管等,其中硅二极管的热稳定性比锗二极管好的多。

按功率分有小功率管和大功率管。

按用途分有普通二极管、整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、变容二极管、发光二极管等。

按结构分有点接触型、面接触型和平面型三类。点接触型二极管由于PN结面积小,结电容小,适用于较高频率下工作,但允许通过的正向电流小,主要用于高频检波和小电流整流;面接触型二极管PN结面积大,结电容大,只能在较低频率下工作,但它允许通过的正向电流大,可用于大功率整流电路,如电源整流;平面型二极管根据工艺方法不同,结面积可大可小,低频大电流整流以及数字电路开关管都可应用,这种工艺的PN结是集成电路常用的一种形式。

1.2.2 二极管的伏安特性

从构成可知二极管的实质就是一个PN结,因此二极管的主要特性就是单向导电性。所谓伏安特性,就是加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系,它能全面反映二极管的主要特点和性能,是选择和使用二极管的重要依据。二极管的伏安特性可用特性曲线或伏安特性方程来描述。

1.二极管的伏安特性曲线

将二极管两端电压与流过的电流在坐标平面内建立起对应关系,所得的曲线就是二极管的伏安特性曲线。可以通过实验电路测量,得到若干组二极管两端电压和对应的电流数据,然后逐点描绘出二极管的伏安特性曲线,或是用晶体管特性图示仪直接观察,得如图1.7所示曲线。

二极管的伏安特性曲线可分成三部分来讨论。

1)正向特性

正向特性是指二极管外加正向电压时的特性,即二极管阳极接电源正极,阴极接电源负极时的特性,正向特性曲线如图1.7(U>0部分)所示。当二极管两端的正向电压小于某一数值时,流过二极管的正向电流几乎为零,二极管不导通,这一段称为死区。只有当正向电压达到某一值时,二极管才开始有明显的正向电流产生,使二极管刚刚产生正向电流时所对应的正向电压称为死区电压或开启电压,用UTH表示,硅管的死区电压约为0.5V,锗管的死区电压约为0.1V。

当正向电压超过死区电压以后,随着电压的升高,正向电流迅速增大。二极管正向导通后,正向电流的大小主要由外电路决定,二极管两端的正向压降基本上是一个常数,硅管的正向压降一般为0.6~0.7V,锗管的正向压降一般为0.2~0.3V,工程上一般取硅管0.7V,锗管0.3V。

图1.7 二极管的伏安特性曲线

2)反向特性

反向特性是指二极管外加反向电压时的特性,即二极管阳极接电源负极,阴极接电源正极时的特性,反向特性曲线如图1.7(U<0部分)所示。二极管两端的反向电压小于一定数值时,产生的反向电流极小,二极管呈现很大的电阻,近似处于截止状态。此时的反向电流有两个特点,其一,反向电流的大小基本不随反向电压的变化而变化,呈饱和性,故称之为反向饱和电流,用IS表示,小功率硅管的IS一般小于0.1μA,锗管达几十微安,这也是硅管应用比较多的原因之一;其二,反向电流受温度的影响很大,温度每升高10℃,IS增大一倍,会影响二极管的单向导电性。

3)反向击穿特性

当二极管两端的反向电压增加到某一数值时,反向电流会急剧增大,这种现象称为反向击穿,二极管处于反向击穿状态。使二极管反向击穿时所对应的反向电压称为反向击穿电压,用UBR表示。反向击穿时二极管将失去单向导电性,一般二极管不允许工作在击穿状态。

2.二极管的伏安特性方程

不同类型二极管的正、反向伏安特性曲线的形状及变化趋势很相近,理论分析和实验均证明,流过二极管的电流与其两端所加的电压之间的关系可用二极管的伏安特性方程表示

式中,IS为二极的反向饱和电流;UT为温度电压当量,与温度有关,常温下UT≈26mV。当u=0时,i=0;当u大于UT几倍时, ;当u<0,且|u|大于UT几倍时,i≈-IS

综上所述,二极管的基本特性为单向导电性,无论是特性曲线还是特性方程,所反映的电流与电压之间的关系都不是线性的,其内阻不是常数,二极管是一种非线性半导体器件。

1.2.3 二极管的主要参数

器件的参数是对器件性能的定量描述,是实际工作中正确地选择和合理地使用器件的依据。二极管的主要参数有:

(1)最大整流电流IF,是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。IF受二极管允许的温升所限定,使用时必须满足一定的散热条件并使流过管子的正向平均电流不能超过此值,否则二极管会过热而损坏。

(2)最高反向工作电压URM,是指二极管工作时允许加的最大反向电压,是保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压。一般手册上给出的最高反向工作电压约为反向击穿电压的一半,以确保二极管安全工作。

(3)反向饱和电流IS,是二极管未击穿时的反向工作电流。对二极管来说IS越小越好,IS越小,二极管的单向导电性越好。实际使用时还应注意温度对IS的影响。

(4)最高工作频率fM,是指允许加在二极管两端交流电压的最高频率值。使用中交流电压的频率若超过此值,二极管的单向导电性会变差甚至失去单向导电性。

1.2.4 二极管的识别、检测及使用注意事项

1.二极管的识别、检测

在实际使用二极管前必须对二极管的极性和好坏质量有正确的认识与判断,否则非但会造成电路不能正常工作,甚至会损毁二极管和其他元件。

1)二极管正、负极的识别判断

二极管的正、负极首先可通过管壳上的符号、标志或外形来识别,其中用二极管电路符号做标志的,箭头所指电极为二极管的负极;用标注色环、色带做标志的,色环、色带所在的一端电极为二极管的负极;带定位标记的,判别时,观察者面对管底,由定位标记起,按顺时针方向,引线依次为正极和负极;大功率二极管正负极引线形式不同,从外形看,带有螺纹的一端为二极管的负极。

如果没有标志或标志不清,外观上不能加以识别,可根据二极管的单向特性(正向电阻小,反向电阻大),用万用表来进行检测,其方法如下:首先把万用表拨到R×100Ω或R×1kΩ挡(一般不用R×10Ω挡,电流太大;也不用R×10kΩ挡,电压太高),然后,将两表笔分别接二极管的两个电极,测得一个电阻值,交换一次电极再测一次,从而得到两个电阻值。二极管的正向电阻值一股在几十欧至几千欧之间,反向电阻值一般在几十千欧到几百千欧之间。若以所测得的两个电阻值中数值最小的一次为准,则黑表笔接的是二极管的正极,红表笔接的是二极管的负极;如果以电阻值最大的一次为准,则红表笔接的是二极管的正极,黑表笔接的是二极管的负极。

2)二极管好坏的检测判断

方法同上,若二次测得的正、反向电阻值均很小或近于零,说明管子内部已击穿而短路;如果正、反向电阻值均很大或接近于无穷大,说明管于内部已经断开(常称为开路);如果电阻值相差不大,说明二极管性能变坏或已失效,出现以上三种情况的二极管都不能使用。若测得反向电阻值比正向电阻值大很多(一般百倍以上),说明是好管,正反向阻值相差越大,表针指示越稳定,二极管的性能越好;若表针不能稳定在某一阻值上,说明二极管稳定性差。

3)硅二极管和锗二极管的判别

首先,可以从管壳上标有的型号来加以判别,当看不到型号时,我们可以利用硅管和锗管正、反向电阻值不一样的特点(硅管的正反向电阻比锗管大)用万用表来判别。其判别方法如下:

将万用表拨到R×100Ω或R×1kΩ挡,测量二极管的正向电阻值,如果表针的指示在表盘中间或中间偏右一点,则该管为硅管;若表针指示靠近0的位置,则表明所测管为锗二极管。然后,再测二极管的反向电阻,如果表针基本不动,在“∞”处附近,则为硅管;如果表针有很小的偏转(一般不超过满度的四分之一),则为锗管。

还可以用万用表测二极管的正向电阻估算其导通压降的方法来区分,方法是:测正向电阻时,表针指示的十分度刻度线的反转刻度乘以1.5V,便是二极管的正向压降,然后根据硅为0.7V左右,锗管0.3V左右加以判断。例如:某一被测管的表针指在0.55刻度,则其反转刻度为0.45,由此可算出二极管两端正向压降为U=1.5V×0.45=0.675V,可知该管是硅二极管。

2.二极管的选用及注意事项

选用管子首先要保证其能安全可靠地工作,也就是被选用的管子在使用时不能超过它的极限参数,并留有一定的余量。而且选用的管子应具有良好的性能,一般原则是:要求导通后正向压降较小时选择锗管,要求反向电流较小时选用硅管;要求工作电流大时选择面接触型,工作频率高时选取点接触型;要求反向击穿电压较高时选用硅管;要求耐高温时选用硅管。也可根据实际电路的技术要求,估算二极管应具有的参数,并考虑适当的余量,查阅手册以确定管子的型号和参数。

国产半导体器件的型号按国家标准(GB/T 249—1989)规定由五部分组成:

3.二极管使用时的注意事项

(1)二极管应按照用途、参数及使用环境选择。各主要参数可以从半导体器件手册中查到。但应指出,由于工艺制造的原因,参数的分散性较大,手册上给出的往往是参数值的范围。另外,各种参数是在规定的条件下测得的,在使用时要注意这些条件。

(2)使用二极管时,正、负极不可接反。通过二极管的电流、承受的反压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值。

(3)更换二极管时,应用同类型或高一级的代替。

(4)二极管的引线弯曲处距离外壳端面面积应不小于2mm,以免造成引线折断或外壳破裂。

(5)焊接时应用35W以下的电烙铁,焊接要迅速,并用镊子夹住引线根部以帮助散热,防止烧坏管子。

(6)安装时,应避免靠近发热元件,对功率较大的二极管,应注意良好散热。

(7)二极管在容性负载电路中工作时,二极管整流电流应大于负载电流的20%。

1.2.5 二极管的电路模型

由二极管的伏安特性可知,二极管是一种非线性半导体器件,这给二极管应用电路的分析带来一定的困难。为了便于分析,常在一定的条件下,用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管的特性,并用之取代电路中的二极管。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路,也称为二极管的等效模型。在工程分析中,力求模型简单、实用,以突出电路的功能及主要特性。

1.二极管大信号的电路模型

在大信号工作时,二极管相当于开关,所以在分析二极管电路时,必须首先判断二极管是导通还是截止,然后再根据二极管在实际工作中的不同要求确定二极管相应的等效电路,从而把二极管电路变为特定条件下的线性电路。下面介绍两种二极管开关等效电路。

1)理想二极管模型

理想二极管模型是一种最简单而又最常用的模型。它将二极管的单向导电性作了理想化处理。当正向偏置时,二极管导通且导通压降为0,即二极管正向导通时为短路特性,相当于开关闭合;反向偏置时,二极管截止,反向电流为零,即二极管截止时为开路特性,相当于开关断开,如图1.8所示。

图1.8 理想二极管等效电路

理想二极管模型与实际的二极管特性虽然有一定的差别,但由于其简单实用,从而得到了广泛的应用。当电源电压远比二极管的管压降大时,常用此法来近似分析。

2)考虑二极管导通压降的等效电路

在相当多的情况下,二极管本身的导通压降不能忽略。二极管的伏安特性表明二极管导通时的正向压降基本为一个常量(硅管0.7V,锗管0.3V),截止时反向电流近似为零,因而二极管正向导通时等效为一个闭合的开关和一个电压源Uon的串联,截止时相当于开关断开,此时的等效电路如图1.9所示。

显然,这种模型比理想二极管模型要更加接近实际的二极管特性。采用这种等效方法时,流过二极管的正向电流应近似等于或大于lmA。

在分析计算二极管电路时,应首先判断二极管是导通的还是截止的,然后再计算。方法是:判断哪个管子就将该二极管假设移开,按原二极管的正向求出两个断开点之间的电位差。该电位差若大于等于二极管的正向导通电压(理想二极管为0,非理想二极管为用Uon;硅管为0.7V,锗管为0.3V)时,将二极管接上肯定是导通的,否则就不导通。

图1.9 考虑Uon时二极管等效电路

【例1.1】 二极管工作状态的判定。判定如图1.10所示电路中硅二极管的工作状态并计算UAB的值。

【解】 在图1.10中,假定VD断开,则VD上端A点电位和下端B点电位分别为6V和0,接上VD,明显可见VD正偏导通,可得如图1.11所示等效电路。硅二极管的正向导通压降为0.7V,VD导通后,其正极端比负极端的电位高山约0.7V,因此UAB=0.7V。

图1.10 【例1.1】题图

图1.11 【例1.1】等效电路

【例1.2】 由硅二极管VD1、VD2和VD3组成的电路如图1.12所示,试求电压UAB和电流I。

图1.12 【例1.2】题图

【解】 (1)首先判断VD2和VD3是否导通。将VD2、VD3断开,求A、B端的电位差UAB。设VD1导通时,有

UAB=Uon+E2=0.7+3=3.7(V)

如将VD2和VD3接入,则VD2和VD3一定导通。再设VD1截止时,UAB=E1=5V,若接入VD2和VD3,也一定会导通。于是,可得出一个结论:不论VD1是导通或是截止,VD2和VD3肯定是导通的。

(2)在VD2和VD3肯定导通的前提下,再来判断VD1究竟是导通还是截止。将VD1断开,求A和C两点的电位差UAC,有

UAC=UAB+UBC=Uon+Uon+(-E2)=0.7+0.7-3=-1.6(V)

因此,接入VD1也不会导通。得出的又一个结论是VD1截止。

(3)三个二极管的工作状态均确定了之后,得相应的等效电路如图1.13所示,则

UAB=Uon+Uon=0.7+0.7=1.4(V)

I=(E1-UAB)/R=(5-1.4)/2=1.8(mA)

图1.13 【例1.2】等效电路

2.二极管低频小信号模型

二极管外加直流正向偏置电压导通后,以该直流电压为中心再加上一个微小的交流电压,讨论二极管对这个微小交流电压的特性而对二极管这个非线性器件所做的线性化处理,即为二极管的低频交流小信号模型。在一定的工作点附近,小信号范围内,二极管等效为一个交流电阻rd,如图1.14所示。rd定义为二极管工作点附近电压的微变量与电流的微变量之比

rd=ΔuD/ΔiD

由二极管的伏安特性方程可得

值得注意的是,小信号模型只适用于二极管处于正向导通且信号变化幅度较小的情况。这个交流电阻的大小是与工作点处的直流电流ID密切相关的,但只能用来分析交流,不能用于直流分析。

1.2.6 二极管的基本应用

二极管是电子电路中最常使用的半导体器件,利用其单向导电特性及导通时正向压降很小的特点,可用来完成整流、钳位、限幅、开关以及电路元件保护等任务。

1.整流

所谓整流,就是利用二极管的单向导电性将交流电压变为单方向脉动的直流电压。然后再经过滤波、稳压,便可以获得平稳的直流电压。

图1.14 二极管交流电阻

2.钳位

利用二极管正向导通时压降很小的特性,将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负载变动影响的电路叫钳位电路。如图1.15所示。只要二极管VD处于导通状态,不论负载RL改变多少,电路的输出电压uo始终等于UG+Uon,其中Uon为二极管的导通电压。

3.限幅

当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压随输入电压相应变化;而当输入电压超出该范围时,输出电压保持不变,这就是限幅电路。通常将输出电压uo开始不变的电压值称为限幅电平,当输入电压高于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为上限幅;当输入电压低于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为下限幅。

图1.15 钳位电路

图1.16 上限幅电路

1)上限幅电路(图1.16)设二极管理想,E=0,限幅电平为0。ui>0时二极管导通,uo=0;ui<0时二极管截止,uo=ui。波形如图1.17(a)所示。

如果0<E<Um则限幅电平为+E。ui<E,二极管截止,uo=ui;ui>E,二极管导通uo=E。波形图如图1.17(b)所示。

如果-Um<E<0,则限幅电平为-E,波形图如图1.17(c)所示。

图1.17 上限幅电路输入、输出波形

2)下限幅电路

将上限幅电路的二极管正、负对调就构成了下限幅电路,如图1.18所示。

图1.18 下限幅电路

设二极管理想,当ui>E时,二极管截止,uo=ui;当ui<E时,二极管导通,uo=E,输出电压被限定在E值上,如图1.19所示。

图1.19 下限幅电路输入、输出波形

3)双向限幅电路

将上限幅电路与下限幅电并联在一起就可构成双向限幅电路,如图1.20所示。

设二极管理想,当-E2<ui<E1时,VDl、VD2都处于反向偏置而截止,因此I=0,uo=ui。当ui>E1时,VDl处于正向偏置而导通,使输出电压保持在E1;当ui<-E2时,VD2处于正向偏置而导通,输出电压保持在-E2。由于输出电压uo被限制在+E1与-E2之间,即|uo|≤5V,好像将输入信号的高峰和低谷部分削掉一样,因此这种电路又称为削波电路。输入、输出波形如图1.21所示。

图1.20 双向限幅电路

图1.21 双向限幅电路输入、输出波形

4.开关电路

二极管在数字电路中应用时,常将其理想化为—个无触点开关器件。二极管正向导通时,正向压降为0,相当于开关闭合;二极管反向截止时,视其反向电流为0,相当于开关断开。

【例1.3】 二极管开关电路如图1.22所示,设二极管为理想二极管。当UA、UB为0和5V时,根据UA、UB取值的不同组合,判定二极管的工作状态,并计算Uo

【解】 理想二极管的正向导通压降为0,反向截止时的电阻为无穷大。在图1.22中,因为二极管理想,正向导通压降为0。根据UA、UB取值的不同组合,二极管的工作状态和输出电压Uo见表1.1。由表1.1可见,输入电压有一个为5V,则输出电压为5V,只有输入电压全为0时,输出电压才为0,这种关系在数字电路中称为或逻辑关系。

图1.22 二极管开关电路

表1.1

5.电路中的元器件保护

在电子电路中,常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害,如图1.23所示的电路,L和R是线圈的电感和电阻。

在开关S接通时,电源E给线圈供电,L中有电流流过,储存了磁场能量。在开关S由接通到断开的瞬间,电流突然中断,L中将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势eL,由于eL与E叠加作用,在开关S的端子上产生电火花放电,这将影响设备的正常工作,使开关S寿命缩短。接入二极管VD后,eL通过二极管VD产生放电电流i,使L中存储的能量不经过开关S放掉,从而保护了开关S。

图1.23 二极管保护电路

1.2.7 特殊二极管简介

1.稳压二极管

1)稳压管及其稳压作用

稳压管是一种特殊工艺制成的面接触型硅二极管,它和普通的二极管一样,实质上也是一个PN结。由于它在电路中与适当阻值的电阻配合后能起稳定电压的作用,所以称为稳压管。稳压管的伏安特性曲线及电路图形符号如图1.24所示。

图1.24 稳压管的电路图形符号及伏安特性曲线

由图1.24可见稳压管的正向特性曲线和普通二极管相似,而反向击穿特性曲线比较陡,稳压管稳压时正是工作于特性曲线的反向击穿区域。在击穿状态下,流过稳压管的电流在很大范围内变化时,管子两端的电压几乎不变,这就是稳压管具有稳压作用的原因所在。与一般二极管不一样,稳压管的反向击穿是可逆的,没有破坏性,只要在电路中串接一个适当的限流电阻就能保证稳压管不因过热而烧坏,当去掉反向电压之后,稳压管又恢复常态,故它可长期工作在反向击穿区而不致损坏。常用的稳压管有2CW和2DW系列。

在实际中使用稳压二极管要满足两个条件:一是使稳压二极管反向偏置,保证管子工作在反向击穿状态;二是要有串联限流电阻配合使用,保证流过管子的电流在允许的范围内。

2)稳压二极管的主要参数

(1)稳定电压UZ。是稳压管反向击穿时管子两端稳定的工作电压。管子型号不同,UZ也不同,即使是同一型号的管子,其实际稳定电压值并不完全相同,而具有一定的分散性。手册中给出的是某一型号管子的稳定电压范围,例如2CWl8稳压管的稳压值为10~12V。使用时要进行调试,按需要挑选。

(2)稳定电流IZ。是稳压管保持稳定电压UZ值时的工作电流,工作电流若小于IZ,稳压管性能较差。

(3)最大稳定电流Izmax。是指稳压管允许通过的最大反向电流。使用稳压管时要限制其工作电流不能超过Izmax,否则可能使稳压管热击穿而损坏。

(4)动态内阻rz。是稳压管在正常工作区(即反向击穿区)工作时管子两端电压的变化量与相应的电流变化量的比值,即rz=ΔUz/ΔIz。动态电阻是衡量稳压性能好坏的重要指标。稳压管的反向击穿特性曲线越陡,则动态电阻越小,稳压性能越好。

(5)最大耗散功率PZM。它是稳压管工作时所允许的最大耗散功率,是由管子允许的温升决定的。它等于最大稳定电流与相应稳定电压的乘积。一般稳压管的最大耗散功率为几百毫瓦到几瓦。稳压管消耗的电功率超过PZM时,管子将过热损坏。

稳压管在电路中的主要作用是稳压和限幅,也可和其他电路配合构成欠压或过压保护、报警环节等。

【例1.4】 稳压管限幅电路如图1.25所示,输入电压ui为幅度为10V的正弦波,电路中使用两个稳压管对接,已知UZ1=6V,UZ2=3V,稳压二极管的正向导通压降为0.7V,试对应输入电压ui画出输出电压uo的波形。

图1.25 稳压二极管电路及输入、输出波形

【解】 正半周0<ui<Uon+UZ2时,VZ1、VZ2均截止,uo=ui;当ui>Uon+UZ2时,VZ1正向导通,VZ2反向击穿,则

uo=0.7+3=3.7(V)

负半周0>ui>Uon+UZ2时,VZ1,VZ2均截止,uo=ui;当ui<Uon+UZ2时,VZ1反向击穿,VZ2正向导通,有

uo=-(0.7+6)=-6.7(V)

可见,输出电压uo被限定在-6.7~+3.7V,波形如图1.25所示。

2.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。它由砷化镓、磷化镓等化合物半导体制成,基本结构是一个PN结,当外加正向电压时,就会发出光来,发光的颜色取决于所采用的半导体材料,目前使用的有红、橙、黄、绿、蓝等颜色的发光二极管。其外形有圆形、长方形等数种,电路符号如图1.26所示。

图1.26 发光二极管图形符号

发光二极管的伏安特性曲线与普通二极管类似,但正向导通压降比普通二极管高,一般为1.5~3V,允许通过的电流为2~20mA,电流的大小决定发光的亮度。应用时必须加正向电压,并接入相应的限流电阻。

发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定且亮度比较高、响应速度快以及寿命长等优点,是一种优良的发光器件,在各种电子设备、家用电器以及显示装置中得到广泛的应用;除单个使用外,还可将多个按分段式制成数码管或做成矩阵式显示器,如数字电路中的七段数码管;还可将电信号变成光信号进行光缆传输;闪烁发光的二极管能引起人们的警觉,可用于光报警电路;目前已开发生产出一种高亮度的发光二极管用于照明,其发光效率是普通白炽灯的10倍以上,它的应用将是照明领域的一次革命。

发光二极管出厂时,一根引线做得比另一根长,通常引线较长是阳极(+),短的是阴极(-)。发光二极管也是一个PN结,可以用万用表的R×10kΩ挡识别其正、负引脚,方法同普通二极管的识别。

3.光电二极管

光电二极管是一种将光信号转变为电信号的特殊二极管,又叫光敏二极管。与普通二极管一样,其基本构成也是一个PN结,不同的是它的PN结面积做得较大,以增大受光面积;另外,外形上光电二极管的管壳上开有一个玻璃窗口,以便于光线射入。光电二极管的电路符号如图1.27所示。

光电二极管工作在反向偏置下,无光照时,只有很小的反向电流(称为暗电流)流过,当有光照射时,就能产生比无光照时大得多的反向电流,此反向电流与光照强度成正比。如果外电路接上负载电阻,便可获得随光照强弱变化的电压信号,从而实现光电转换。

光电二极管作为光电器件,广泛应用于光的测量和光电自动控制系统,如光纤通信中的光接收机、电视机和家庭音响的遥控接收等,都离不开光电二极管。大面积的光电二极管可用来作为能源,即光电池,是一种最有发展前途的绿色能源。

图1.27 光电二极管电路符号

4.变容二极管

变容二极管是利用PN结之间电容可变原理制成的特殊二极管。它工作在反向偏置状态,电容量与反偏电压的大小有关。改变变容二极管两端的反偏电压,就可以改变电容量,即反向电压增大时,结电容减小;反之,结电容增大。由于它无机械磨损且体积小,当作可变电容被广泛应用于高频技术中,如彩电调谐器实现频道选择。不同型号的变容二极管,其容量变化的范围也不一样,一般从几皮法至几百皮法。