单元1 二极管的分析与应用

学习性工作任务

任务1.1 二极管的认知

知识目标

●了解载流子、本征激发、载流子浓度、漂移运动、扩散运动、阻挡层、耗尽层等概念。

●熟悉本征半导体的热敏特性和光敏特性，知道载流子的两种运动方式。

●掌握二极管符号画法、二极管的特性和二极管电路的分析方法。

能力目标

●能判断二极管的各种状态，如偏置状态、导通和截止状态等。

●能用理想二极管伏安特性和固定压降伏安特性计算二极管电路参数。

●能正确使用稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管。

素质目标

●培养自主学习的能力。

●培养一丝不苟的工作精神。

1.1.1 PN结

半导体二极管又称为晶体二极管，简称二极管。二极管是最早诞生的半导体器件之一，其应用非常广泛。特别是在各种电子电路中，利用不同参数的二极管和一定参数的电阻、电容、电感等元器件进行合理的连接，构成不同功能的电路，可以实现对交流电流整流，对调制信号检波、限幅和钳位以及对电源电压的稳压等多种功能。无论在常见的收音机电路中还是在其他家用电器产品或工业控制电路中，都可以找到二极管的踪迹。

二极管的内部核心是一个PN结，PN结是一块P型半导体和一块N型半导体有机结合所产生的一个区域。

1.本征半导体

导体（如金、银、铜、铝、铁等）很容易导电，因为导体内部有着大量的自由电子（摆脱原子核束缚的电子称为自由电子）。导体在外电场作用下，这些自由电子会逆电场方向运动，形成较大的电流，这就是导体具有良好导电能力的基本原理。在外电场作用下，物质内部能形成电流的粒子称为载流子。自由电子在外电场作用下，能形成带负电荷的电子流（称其为电子载流子）。导体内部电子载流子很多，所以导电能力强。在绝缘体中，其原子核外电子受原子核束缚力很大，自由电子很少，因此在正常情况下，绝缘体内电子载流子很少，所以很难导电。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体，其导电能力与其内部载流子的多少有关。

不含杂质的纯净半导体称为本征半导体。目前用于制造半导体器件的材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）等，其中以硅和锗最为常用。硅和锗制成单晶体后，都是共价键结构。硅和锗的原子最外层有4个价电子。图1-1表示了硅或锗晶体的共价键结构。每个硅或锗原子与其相邻的4个原子的价电子发生联系，使每个硅或锗原子外层有8个电子，以形成稳定结构。

（1）本征半导体中的两种载流子——电子和空穴

在本征半导体中，原子外层价电子受到原子核的束缚力，没有绝缘体里的价电子受力那么大，因此在室温下，总有少数价电子因受热而获得能量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电子。与此同时，失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留下了一个空位，这个空位称为空穴。本征硅或锗每产生一个自由电子，必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对出现（如图1-2所示），称为电子空穴对。在室温下，本征半导体内产生的电子空穴对数目是很少的。

本征半导体在室温下，其内部自由电子可以自由运动，空穴是怎样运动的呢？在一个价电子成为自由电子后，会同时产生了一个空穴。原子本来是电中性的，在失去一个带负电的电子后，留下的空穴相当于带正电荷的粒子，它所带电量与电子相等，符号相反。有了这样一个带正电的空穴，附近的价电子就很容易跳过来填充这个空穴，这时空穴就转移到相邻的原子上去了。图1-2中A处共价键出现空穴以后，相邻原子的价电子（如B处价电子）填补了A处空穴，结果空穴从A处移到了B处。同理，B处空穴也很容易被相邻原子的价电子来填补，因此空穴运动实质上是价电子填补空穴的运动，空穴运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种与价电子运动方向相反的运动称为空穴运动。

由此可见，在本征半导体中，有自由电子和空穴两种带电粒子，它们在半导体中均可自由运动，不过这种杂乱的自由运动不会使本征半导体呈现电性。当本征半导体处在外界电场作用下，其内部自由电子以逆外电场方向定向运动，形成电场作用下的漂移电子流，空穴以顺外电场方向定向运动，形成电场作用下的漂移空穴流，因为在电场作用下，自由电子带负电荷，空穴带正电荷，它们都对形成电流做出贡献，因此称自由电子为电子载流子，空穴为空穴载流子。

本征半导体中既有电子载流子，又有空穴载流子，存在两种载流子是半导体导电的一个重要特征。本征半导体在外电场作用下，其电流应为电子流与空穴流之和。

（2）本征半导体的热敏特性和光敏特性

本征半导体受热或光照后产生电子空穴对的物理现象称为本征激发。本征激发能使本征半导体内成对地产生自由电子和空穴。另一方面，自由电子在运动过程中有可能重新跳进空穴，使自由电子与空穴一起消失，这种过程称为复合。复合时，自由电子释放能量，又成为价电子。电子空穴对不断产生，又不断复合，在一定温度下，必将达到相对平衡，使电子空穴对的数目保持一定。由于常温下本征激发所产生的电子空穴对数目很少，所以本征半导体的导电能力差。

当温度升高或光照增强时，本征半导体内原子的运动加剧，有较多的电子获得能量成为自由电子，即电子空穴对增多，与此同时，又使复合的机会相应增多，最后达到一个新的相对平衡，这时电子空穴对的数目自然比原先多，所以本征半导体中电子空穴对的数目与温度或光照有着密切关系。温度越高或光照越强，本征半导体内载流子的数目越多，导电性能越好，这就是本征半导体的热敏特性和光敏特性。

2.杂质半导体

本征半导体虽然多了空穴载流子，但是从具有良好导电能力的要求来看，还相差很远，因此本征半导体用处不大。如果在本征半导体中掺入微量其他元素，就会使其导电能力大大加强，掺入的杂质越多，半导体的导电能力越强，这就是半导体的掺杂特性。掺入微量元素的原子称为杂质，掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体有P型半导体和N型半导体两大类。

（1）P型半导体

如果在本征半导体中掺入微量三价元素，如硼（B）、铟（In）等，在半导体内就会产生许多空穴，这样就形成了P型半导体。

为什么在本征半导体中掺入微量三价元素会产生许多空穴呢？因为掺入杂质的原子数目比硅（或锗）原子要少得多，整个晶体结构基本不变，三价杂质原子有3个价电子，所以当一个杂质原子与相邻4个硅（或锗）原子组成共价键时，杂质原子外层有一个空位未被填满，必然形成一个空穴。P型半导体结构如图1-3所示。每掺入一个三价杂质原子，就会形成一个空穴，掺入的三价杂质原子越多，空穴载流子就越多，这种半导体的导电性能就越好。

在P型半导体中，有因掺入三价杂质原子而产生的空穴和本征激发所产生的电子空穴对，从而使空穴载流子数远大于电子数，所以P型半导体中空穴是多数载流子，简称为“多子”，电子是少数载流子，简称为“少子”。掺入的杂质原子由于产生空穴便可以接受一个电子，三价杂质原子由于接受一个电子便成为一个负离子，即每掺入一个三价杂质原子便形成一个空穴和相应形成一个负离子，使整个P型半导体呈现电中性。P型半导体中的载流子如图1-4所示。P型半导体中多子的浓度取决于所掺杂质的多少，而少子由于是本征激发形成的，所以它的浓度与温度有密切的关系。

P型半导体在外界电场作用时，多子空穴形成的空穴电流远大于少子电子形成的电子电流，P型半导体是一种以多子空穴导电为主的半导体，因此它又称为空穴型半导体。

（2）N型半导体

如果在本征半导体中掺入微量五价元素，如磷（P）、砷（As）等，在半导体内就会产生许多电子，这样就形成了N型半导体。

为什么在本征半导体中掺入微量五价元素会产生许多电子呢？因为五价杂质原子有5个价电子，一个杂质原子与相邻4个硅（或锗）原子组成共价键时，杂质原子多出一个电子未被结合，常温下，这个电子能摆脱原子核的束缚成为自由电子。N型半导体结构如图1-5所示。每掺入一个五价杂质原子就能形成一个自由电子，掺入的杂质越多，这种半导体的导电性能就越好。

在N型半导体中，有因掺入五价杂质原子而产生的电子与本征激发所产生的电子空穴对，从而使电子载流子数远大于空穴数，所以电子是N型半导体中的多子，空穴是N型半导体中的少子。掺入的杂质原子由于给出一个电子便成为一个杂质正离子，每掺入一个五价杂质原子便贡献一个自由电子，而且相应形成一个正离子，所以整个N型半导体呈现电中性。N型半导体中的载流子如图1-6所示。N型半导体中多子的浓度取决于掺入杂质的多少，由于是本征激发形成的少子，所以它的浓度与温度有密切的关系。

N型半导体处在外界电场作用时，由多子电子形成的电子电流远大于少子空穴形成的空穴电流。N型半导体是一种以电子导电为主的半导体，因此它又称为电子型半导体。

（3）半导体中载流子的两种运动方式

在半导体中，载流子有扩散和漂移两种运动方式。半导体中的电子载流子与空穴载流子都能在电场作用下做定向运动，这种在电场作用下载流子的运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，就会因为浓度差而引起载流子从浓度高区域向浓度低区域的运动，这种运动称为扩散运动。

3.PN结

单纯的一块P型半导体或N型半导体，只能作为一个电阻元件，而不能做成所需要的晶体管器件。但是，把P型半导体和N型半导体通过一定方法结合起来形成的PN结，就具有这种功能。PN结是构成二极管、晶体管、晶闸管、集成电路等半导体器件的基础。

（1）PN结的形成

在一块完整的本征硅（或锗）片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在这两种杂质半导体的交界面附近就会形成一个具有特殊性质的薄层，这个特殊的薄层就是PN结。

图1-7展示了PN结的形成过程。如图1-7a所示，P区与N区之间存在着载流子浓度的显著差异，即P区空穴多、电子少，N区电子多、空穴少。于是在P区与N区的交界面处发生载流子的扩散运动。P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。扩散的结果是，交界面附近P区空穴减少，留下不能够移动的杂质负离子；N区电子减少，留下了不能移动的杂质正离子。这样，在交界面上出现了由正负离子构成的空间电荷区，这就是PN结，如图1-7b所示。空间电荷区一侧为负离子区，另一侧为正离子区，于是就产生了由N区指向P区的电场，叫内电场。显然，内电场对多子的扩散运动起阻挡作用，但对P区和N区中的少子有吸引作用，于是产生了少数载流子在内电场作用下的漂移运动。

开始时，载流子浓度差别大，多子的扩散运动占优势，但随着扩散运动的进行，空间电荷区变厚，内电场不断增加，扩散运动逐渐削弱，漂移运动不断增强，最后扩散运动与漂移运动达到动态平衡，即有多少个多子扩散到对方，便有多少个少子从对方漂移过来。此时，PN结的厚度不再变化。在动态平衡状态下，流过PN结的扩散电流与漂移电流大小相等、方向相反，流过PN结的电流为零。

由于PN结一侧带正电荷，另一侧带负电荷，所以在两种半导体之间产生电势差（或电位差），称为势垒或位垒。PN结内电场对多子扩散起阻挡作用，因而把空间电荷区又称为阻挡层。又因为空间电荷区内几乎没有载流子，即载流子耗尽了，只剩下不能导电的正负离子，所以空间电荷区又称为耗尽层（或耗尽区）。

（2）PN结的导电特性

在不同极性的外加电压作用下，流过PN结的电流大小是不同的。

1）PN结正向偏置。PN结外加正向电压时的情况如图1-8所示。P区接电源正极，N区接电源负极，这种接法叫正向偏置。这种偏置由于外电场与内电场方向相反（如图1-8a所示），从而使内电场削弱，耗尽层变薄（空间电荷区变窄，如图1-8b所示）。这样，导致了扩散运动增强，漂移运动减弱，打破了原来的动态平衡，大大有利于多子扩散，有大量的多子越过PN结，形成正向电流I_F，而且外加正偏电压稍微增加，则正向电流便迅速上升，PN结表现为正向导通状态。正向导通时，PN结呈现的电阻很小。

2）PN结反向偏置。PN结外加反向电压时的情况如图1-9所示。P区接电源的负极，N区接电源的正极，这种接法叫反向偏置。这种反向偏置，使外电场与内电场方向相同（如图1-9a所示），增强了内电场，导致耗尽层变厚（空间电荷区变宽，如图1-9b所示），结果多子扩散难以进行，而少子则在外电场作用下漂移过PN结形成反向电流I_S，但因为少子数目很少，因此I_S很小。由于少子是由热激发产生的，当温度一定时，少子浓度一定，反向电流I_S几乎不随外加反向偏置电压而变化，所以I_S又称为反向饱和电流。但I_S受温度影响很大。由于反向电流I_S很小，与正向电流I_F相比，一般可以忽略，所以PN结反向偏置时，呈现的电阻很大，处于截止状态。

综上所述，半导体中的载流子有两种运动方式，即扩散运动和漂移运动。当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动相对平衡。PN结正偏时，扩散加强，空间电荷区变窄，有利于多子越过PN结，形成大的正向电流，PN结电阻很小，呈导通状态，相当于开关接通；PN结反偏时，空间电荷区加宽，加强了内电场，结果阻止了多子的扩散，仅有少子形成很小的反向电流，PN结电阻很大，呈截止状态，相当于开关断开。所以PN结具有单向导电性。

1.1.2 二极管

1.二极管的结构和符号

二极管内部由一个PN结构成，对于分立器件，二极管还在PN结的两端引出金属电极，外加管壳或用塑料封装。由于功能和用途的不同，二极管的外形各异。几种常见的二极管外形如图1-10所示。

按PN结形成的方式，二极管的结构可分为点接触型、面接触型和平面型几种。点接触型二极管的PN结接触面积小，不能通过很大的正向电流和承受较高的反向电压，但它的高频性能好，适宜在高频检波电路和开关电路中使用；面接触型二极管的PN结接触面积大，可以通过较大电流，也能承受较高的反向电压，适宜在整流电路中使用；平面型二极管常用的是硅平面开关管。当平面型二极管的PN结面积较大时，可以通过较大电流，适用于大功率整流；当其PN结面积较小时，适宜在脉冲数字电路中作开关管使用。图1-11所示是二极管的结构示意图。

按PN结材料不同，二极管分为硅管和锗管两类。锗管的工作温度较低，一般可制成中、小功率二极管。硅管的工作温度较高，可制成中、大功率二极管。

按用途不同，二极管可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、变容二极管和开关二极管等。

图1-12所示是二极管的符号。二极管有两个电极，由P区引出的电极是正极，又叫阳极；由N区引出的电极是负极，又叫阴极。三角箭头方向表示正向电流的方向，正向电流只能从二极管的阳极流入，阴极流出。二极管的文字符号用VD表示。

2.二极管的伏安特性

二极管的主要特性是单向导电，可用伏安特性曲线来描述。

（1）二极管的伏安特性曲线

二极管的种类虽然很多，但它们都具有相似的伏安特性。所谓二极管伏安特性曲线就是流过二极管的电流I与加在二极管两端电压U之间的关系曲线。图1-13所示为硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线。现以图1-13a所示的硅二极管伏安特性进行分段介绍。

1）正向特性。

OA段：当外加正向电压较小时，外电场远不足以克服内电场对载流子扩散运动造成的阻力，致使多数载流子不能顺利通过空间电荷区，故正向电流非常小，近似为零。在这个区域内的二极管实际上还没有很好导通，二极管呈现的电阻很大，该区域常成为“死区”。硅二极管的死区电压（又称为导通电压U_on）约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。

A点以后，即外加正向电压超过死区电压，外电场开始削弱内电场对多数载流子的阻碍作用，使正向电流增加。

BC段：在正向电压大于死区电压U_on以后，外电场大大削弱了内电场对多数载流子的阻碍作用。多数载流子在电场作用下大量通过PN结，所以正向电流随正向电压的增加而急剧增大。在这个区域内，正向电压稍有增加，电流就会增大很多，这时二极管呈现的电阻很小，二极管表现出充分导通状态，可视为二极管具有恒压特性。在该区域内，二极管正向压降硅管为0.6～0.7V，锗管为0.2～0.3V。但是流过二极管的正向电流不能过大，否则会使PN结过热而烧坏二极管。

2）反向特性。

OD段：所加反向电压加强了内电场对多子扩散的阻挡，多子几乎不能形成电流，但少子在外电场作用下漂移，形成很小的反向电流，反向电压升高，反向电流几乎不再增大。因为在一定温度下，由本征激发产生的少数载流子总数一定，外加反向电压稍大一点，即可使全部少数载流子参与导电，再加大反向电压，反向电流也不再增加，所以把该反向电流称为二极管的反向饱和电流I_S。此时二极管呈现很高的反向电阻，近似处于截止状态。反向电流越大，表明二极管的反向性能越差。硅管反向电流较小，约在1μA以下，锗管反向电流达几微安到几十微安以上。

D点以后，若反向电压稍有增大，则反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。二极管发生反向击穿时所加的电压叫反向击穿电压U_BR。如果对反向击穿电流加以限制，PN结就不会损坏；如果不采取限制措施，PN结就将因过热而烧坏。

在未击穿之前，二极管的伏安特性还可以用二极管方程式来表示，即

式（1-1）中，I_S为反向饱和电流；U为加在二极管两端的电压；I为流过二极管的电流；e为自然对数的底；U_T为温度电压当量，，其中，k是玻耳兹曼常数、q是电子电荷量、T为绝对温度（K），当T=300K时，U_T≈26mV。

（2）温度对硅二极管伏安特性的影响

二极管的特性对温度很敏感，随着温度的升高，二极管正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动，如图1-14所示。因为温度升高，扩散运动加强，在同一正向电流下的正向压降下降，所以正向特性向左移动；又因为温度升高，本征激发加强，少数载流子数目增加，在同一反向电压作用下，反向饱和电流增大，所以反向特性向下移动。

由图1-14可知，若温度升高，则在同一正向电流下，二极管的正向压降减小，即二极管正向压降有负温度系数，负温度系数为-2.4mV/℃左右。若温度升高，则二极管的反向饱和电流I_S增大，反向击穿电压降低。一般来讲，温度每升高10℃，二极管的反向电流I_S约增加一倍。手册上给的参数指室温下的值，当在不同温度下使用二极管时，应根据上述情况做必要的修正。

3.二极管的主要参数

二极管一般可用到100 000h以上。但是如果使用不合理，就不能充分发挥其作用，甚至很快被损坏。要合理地使用二极管，就必须掌握它的主要参数，因为参数是电子元器件质量和特性的反映。电子元器件的参数是国家标准或制造厂家对生产的元器件应达到的技术指标所提供的数据要求，也是合理选择和正确使用元器件的依据。二极管主要有以下参数。

（1）最大整流电流I_FM

最大整流电流I_FM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。I_FM与PN结的材料、面积及散热条件有关。当使用大功率二极管时，一般要加散热片。I_FM是二极管的极限参数，在实际使用时，流过二极管的最大平均电流不能超过I_FM，否则二极管会因过热而损坏。

（2）最大反向工作电压U_RM

最大反向工作电压U_RM是指二极管在使用时所允许加的最大反向电压。通常以二极管反向击穿电压的1/2作为二极管的最大反向工作电压。U_RM也是二极管的极限参数，二极管在实际使用时所承受的最大反向电压不应超过此值，否则，二极管就有发生反向击穿的危险。对于交流电来说，最大反向工作电压（峰值电压）也就是二极管的最大工作电压。

（3）反向电流I_RM

反向电流I_RM是指在规定的温度和最大反向电压下，二极管未击穿时的反向电流值，其值越小越好。

（4）最高工作频率f_M

如果二极管的工作频率超过一定值，就可能失去单向导电性，因此最高工作频率f_M是指保证二极管具有良好单向导电性能的最高工作频率。它主要由PN结结电容的大小来决定，结电容越大，则f_M越低。点接触型二极管的结电容较小，f_M可达几百兆赫兹；面接触型二极管的结电容较大，f_M只能达到几十兆赫兹。

此外，二极管还有正向压降、结电容和最高结温等参数。必须注意的是，手册上给出的参数是在一定测试条件下测得的数值。如果条件发生变化，相应参数也会随之发生变化。因此，在选择所使用二极管时应注意参数留有裕量。

【例1-1】某位操作者有同型号的二极管甲、乙、丙3只，测得的数据如表1-1所示，试问哪只二极管性能最好？

解：乙管的性能最好，因为它的耐电压高、反向电流小，在正向电压相同的情况下，乙管的正向电阻最小。

4.二极管的直流电阻和交流电阻

由于二极管的伏安特性是非线性的，所以二极管在电路中所呈现的电阻有直流电阻与交流电阻两种不同性质的电阻。

（1）二极管的直流电阻R_D（也称静态电阻）

直流电阻R_D是指加在二极管上的直流电压U_D与流过管子的直流电流I_D之比，即

在二极管伏安特性曲线上，对应一定U_D、I_D的点称为静态工作点Q。

二极管的直流电阻与常规的线性电阻元件不一样，线性电阻元件阻值与所加电压的大小、方向无关，而二极管在电路中所呈现的直流电阻与二极管的工作状态（即所加偏置电压的大小、方向）有关。当二极管正偏时，直流电阻较小，呈现低阻，流过二极管的正向直流电流越大，直流电阻越小；当二极管反偏时，（在未击穿区）其反向直流电阻很大，呈现高阻。根据这一道理，常常用万用表电阻档粗略测试二极管的好坏。测试时，万用表作为被测二极管的偏置直流电源，万用表内部电源给二极管提供正向偏置电压或反向偏置电压，万用表测出的是二极管正向直流电阻或反向直流电阻。测出的正、反向直流电阻数值相差很大，一般在数百倍以上，这说明二极管的单向导电性基本上是好的。

另外，需要注意的是，当用万用表电阻档的不同量程测量同一只二极管的正向电阻时，由于工作点的不同，所得到的直流电阻会有很大差别。

（2）二极管的交流电阻r_d（也称动态电阻）

动态电阻r_d是指在静态工作点Q附近，二极管上的电压变化量ΔU和对应的电流变化量ΔI之比，即

通过PN结的方程也可求取r_d，即

式（1-4）中，26为温度电压当量U_T在室温下的数值，单位为mV；I_D为二极管静态工作点Q处的直流电流，单位为mA。Q点越高，即I_D越大，r_d越小。

5.二极管引脚极性及质量的判断

一般在二极管的管壳上有其阳极和阴极的识别标记，有的印有二极管的电路符号；对于电容二极管、发光二极管等引脚，引线较长的为阳极；对于极性不明的二极管，可用万用表电阻档测量二极管正、反向电阻加以判断。当正、反向电阻均为零或均为无穷大时，表明二极管内部为短路或断路，二极管已损坏。

1.1.3 二极管的分析方法

由于二极管的伏安特性是非线性的，所以二极管电路的分析计算较为复杂。从工程观点出发，在电子电路的工程计算中，只要在精度允许的范围内，就常常将二极管的伏安特性进行线性化处理。常用的有下面两种近似处理方法。

1.理想二极管的伏安特性

图1-15用粗实线表示的是理想二极管的伏安特性。由图可知，理想二极管正偏时正向压降为零，相当于开关闭合（即短路），反偏时，反向电流为零，相当于开关断开（即开路）。

2.二极管固定压降伏安特性

图1-16为二极管正向的固定压降伏安特性。由图可知，当二极管正向压降超过导通电压U_F时，二极管导通，并在电路中呈现为一个固定正向压降（通常硅管取0.7V，锗管取0.3V），否则二极管不导通，电流为零。

对一般工程估算，若二极管正向压降小于与其串联的电路电压的1/10，则用理想伏安特性分析计算；若二极管正向压降不小于与其串联的电路电压的1/10，则用正向固定压降伏安特性来分析计算。

【例1-2】试求图1-17所示电路中的U_o等于多少？设二极管为硅管。

解：对于图1-17a所示电路，因为二极管VD串接在U₁、U₂、R的回路中，二极管正向压降U_F远小于U₁或U₂，所以将其看成理想二极管。设A点为公共参考点，二极管VD正极电位为-10V，R的一端B点接-20V，所以二极管VD正偏，相当于开关闭合。求出U_o=-10V。

对于图1-17b所示电路，将二极管看成理想二极管，VD₁、VD₂、VD₃这3只二极管对于公共参考点（接地点）而言，VD₂的阴极电位最低（为-6V），所以VD₂优先导通。VD₁、VD₃均因VD₂导通后，它们的阳极电位比阴极电位低而截止。求出U_o=-6V。

1.1.4 特种二极管

除普通二极管外，还有很多种特殊功能和用途的二极管，如稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管、激光二极管等。

1.稳压二极管

硅稳压二极管（简称为稳压管）是一种用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管。使用时，将它的阴极接外加电压的正端，阳极接负端，二极管反向偏置，工作在反向击穿状态，利用它的反向击穿特性稳定直流电压。

（1）稳压二极管的稳压原理

图1-18a是硅稳压管的伏安特性，它通常工作在反向特性的A点与B点之间。硅稳压管的符号如图1-18b表示，文字符号用VD_Z表示。二极管的反向击穿并不一定意味着二极管损坏。只要限制流过管子的反向电流，就能使二极管不会因过热而烧坏，而且在反向击穿状态下，二极管两端电压变化很小，而电流变化很大，具有恒压性能。稳压管正是利用这一点实现稳压作用的。当稳压管工作时，流过它的反向电流在I_Zmin～I_Zmax范围内变化，在这个范围内，稳压管工作安全，且它两端的反向电压变化很小。

（2）稳压管的主要参数

1）稳定电压U_Z。U_Z是指稳压管中电流为规定电流时稳压管两端的电压。由于制造工艺原因，即使同一型号的稳压管U_Z的分散性也较大，所以使用时应在规定测试电流下测量出每一管子的稳压值。

2）稳定电流I_Z。I_Z是稳压管正常工作时的电流参考值。若流过稳压管的电流低于I_Z，则稳压效果略差；若高于I_Z，则只要不超过额定功耗都可以正常工作，且电流越大，稳压效果越好。

3）动态电阻r_Z。r_Z是稳压管两端电压变化量和通过它的电流变化量之比，即r_Z=。稳压管的r_Z很小，一般为十几至几十欧姆。使用时，应选r_Z小的稳压管。r_Z越小，说明稳压管的反向击穿特性曲线越陡，稳压性能越好。

4）额定功耗P_Z。P_Z是由稳压管的温升来决定的，其值为它允许的最大工作电流I_ZM和稳定电压U_Z的乘积，即P_Z=I_ZMU_Z。

5）温度系数α。它是稳定电压受温度影响的参数，其值为温度每变化1℃时稳定电压的相对变化量，即。α越小，稳压性能受温度影响越小。一般来说，硅稳压管U_Z低于4V时有负温度系数，高于7V时有正温度系数，而在4～7V之间的稳压管，其稳压值受温度的影响比较小。因此，在温度稳定性要求较高的情况下，一般选用6V左右的稳压管。在温度稳定性要求更高的情况下，可将正温度系数的稳压管和负温度系数的稳压管串联使用，使温度系数相互补偿。

2.变容二极管

变容二极管是利用PN结的电容效应工作的，它工作于反向偏置状态。在高频工作情况下，PN结类似于一个平板电容器，其交界处形成的空间电荷区（即耗尽层）中没有载流子存在，因此起着电介质的作用。当PN结处于反偏工作时，这种电容叫势垒电容。势垒电容的大小不是恒定值，它与PN结的反偏电压大小有关。当反偏电压升高时，耗尽层加宽，势垒电容下降；当反偏电压降低时，耗尽层变窄，势垒电容上升。利用势垒电容工作的特制二极管叫作变容二极管。

图1-19a是变容二极管的特性，即电容与偏置电压的关系曲线。图1-19b是变容二极管的符号。由特性曲线可知，改变变容二极管的直流反偏电压，就可以达到改变电容量的目的。变容二极管的常见用途是调谐电容，改变其反偏电压可以调节LC谐振回路的振荡频率。例如，在电视机的高频头中，利用它作为调谐回路的可变电容器，来选择电视频道。

3.光电二极管

光电二极管是一种光接收器件，其PN结工作在反偏状态。图1-20所示为2DU型硅光电二极管的结构原理图及符号。

光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口，以便接受光照。当窗口未接受光照时，由于热激发而产生的载流子数量极少，所以在电路中流过的是微小的反向饱和电流，称为暗电流；当窗口受到光照时，光线辐射于PN结，从而产生出新的电子空穴对——光生载流子（即少数载流子）。光线越强，光生载流子浓度越高，在反偏电压作用下形成的反向电流也越大，称为亮电流。通常亮电流是暗电流的几千倍。通过回路的外接电阻R_L可获得电信号，从而实现光电转换或光电控制。

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。这类器件应用非常广泛。例如，应用于光的测量、光电自动控制、光纤通信的光接收机等。大面积的光电二极管可用作能源，即光电池。

4.发光二极管

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种光发射器件，它是一种冷光源，是由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的。由这些材料构成的PN结加上正向电压时，N区电子和P区空穴都穿过PN结，在运动途中发生复合，复合时释放的能量是一种光谱辐射能，所以PN结便以发光的形式来释放载流子复合时的能量。光的颜色主要取决于制造所用的半导体材料。砷化镓半导体辐射红色光，磷化镓半导体辐射绿色光等。目前，市场上发光二极管的主要颜色有红、橙、黄、绿等几种。

发光二极管的正向伏安特性也比较特殊，如图1-21a所示。它的导通电压比普通二极管高，应用时，加正向电压，并接入相应的限流电阻，它的正常工作电流一般为几毫安至十几毫安，发光二极管通过正向电流后就能发出光来。发光强度基本上与正向电流大小呈线性关系。图1-21b是发光二极管的符号。

发光二极管是一种冷光源，辐射主要集中在可见光区，几乎不产生热，也消除了非可见光区电磁波对人体的危害。由于具有体积小、省电、工作电压低、抗冲击振动、可靠性高、寿命长、单色性好、响应速度快等优点，发光二极管广泛应用于仪器仪表、计算机、汽车、电子玩具、通信、音响设备、数控装置、自动装置、军事等领域。

随着发光二极管材料的革新、工艺的改进和生产规模的扩大，发光二极管光效更高，价格更低，在照明领域的应用越来越广，将逐步替代白炽灯、荧光灯等传统光源，成为新一代的绿色光源。

小功率的发光二极管正常工作电流为10～30mA。通常正向压降值为1.5～3V。发光二极管的反向耐压一般为6V左右。发光二极管的伏安特性与整流二极管相似。为了避免由于电源波动引起正向电流值超过最大允许工作电流而导致管子烧坏，通常串联一个限流电阻来限制流过二极管的电流。由于发光二极管最大允许工作电流随环境温度的升高而降低，所以发光二极管不宜在高温环境中使用。

5.激光二极管

激光（Laser，音译为“镭射”）是由激光器产生的。激光器分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器等。半导体激光器是所有激光器中效率最高、体积最小的一种，而比较成熟且实用的半导体激光器是砷化镓激光器，即激光二极管。激光二极管的应用非常广泛，已成功地应用于激光唱机（即CD唱机）和激光影碟机（有LD、VCD和DVD影碟机）中。

图1-22是砷化镓激光二极管主要部分的结构示意图和符号。它的主要部分是一个PN结。该PN结的形状为长方形，整个体积与针孔的大小差不多。PN结的两个端面磨得很光滑，并且互相平行，构成谐振腔的两个反射镜。通常将N型半导体与散热片连接在一起，这个散热片就作为负电极。散热片是必需的部分，它可以控制PN结的温度，从而使激光的强度与波长都保持稳定。另外，与普通二极管相比，激光二极管中的掺杂浓度非常高。当激光二极管工作时，P型半导体接外电源正极，N型半导体接外电源负极。当PN结中通过一定的正向电流时，PN结的结区域就会发射出激光。

从微观的角度看，激光二极管产生激光的过程就是当PN结加正向电压时，电子与空穴在空间电荷区复合的过程。电子与空穴在空间电荷区复合在一起，把多余的能量释放出来，变成光子。通过受激，光子发射加速，再加上反射反馈，当形成很大的光子密度时，便产生了激光。