二极管的主要应用电路

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浅议二极管的原理

作者：刘鹏

来源：《中学物理·高中》2015年第11期

二极管是用半导体材料（硅、硒、锗等）制成的一种电子器件.2014年诺贝尔物理学奖授予日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二，以表彰他们在发明“高亮度蓝色发光二极管”新型高效节能光源方面的贡献.蓝色发光二极管属于发光二极管中的重要一种.二极管在电子产业中的重要用途可见一斑.在现行国内高中物理教材中，皆对二极管进行了有限篇幅的介绍.人教版教材设置“说一说”栏目，给出某晶体二极管的伏安特性曲线，意图让学生通过分析图象来认识非线性元件的特性.教科版教材采用“发展空间”栏目，将二极管的伏安特性曲线作为课外阅览，相比人教版教材较明确地描述了二极管的性质.由于教材介绍内容有限，留给教师和学生大致只有二极管具有单向导通性这样一个印象，形成了只知其然而不知其所以然的尴尬境地，很难体会到其物理原理与现代应用价值，因此物理教育价值功能并未得到完全发挥.与国内高中物理教材相比，美国高中物理教材将二极管单独列为一章进行介绍，突显原理与科技应用价值.通过教材比较，笔者认为二极管的内容教学有待开发.加深对二极管原理、特性及应用的认识，从教师的角度有利于学科专业知识的提升，从学生的角度有利于物理素养和科学人文价值的培养.

1 二极管的原理

半导体的导电机理可以用固体的能带理论解释.量子力学证明，晶体中电子共有化的结果，使原先每个原子中具有相同能量的电子能级，因各原子的相互影响而分裂成为一系列和原来能级很接近的新能级，这些新能级基本上连成一片，而形成能带.[TP11GW18.TIF，Y#]晶体的能带结构如图1所示.如果一个能带中的各个能级都被电子填满，这样的能带称为满带.由价电子能级分裂后形成的能带称为价带.若晶体的价带中的能级没有全部被电子填满，在外电场的作用下，电子可以进入能带中未被填充的高能级，没有反向电子的转移与之抵消，因而形成电流，这样的能带称为导带.还有一种能带，其中所有的能级都没有被电子填入，这样的能带称为空带.在两个相邻能带之间，可以有一个不存在电子稳定能态的能量区域，这个区域称为禁带.禁带的宽度对晶体的导电性起着相当重要的作用.

二极管的四种典型应用电路

二极管是一种常见的电子元件，具有单向导电性质，因此在电路中有着广泛的应用。本文将介绍二极管的四种典型应用电路。

一、整流电路

整流电路是二极管最常见的应用之一。在交流电源中，二极管可以将电流限制在一个方向上，从而实现将交流电转换为直流电的功能。整流电路通常由一个二极管和一个负载组成，二极管将正半周的电流导通，而负半周的电流则被截止。这样，负载就能够得到一个单向的电流，从而实现了直流电的输出。

二、稳压电路

稳压电路是另一个常见的二极管应用。在电路中，二极管可以通过改变其正向电压降来实现稳压的功能。稳压电路通常由一个二极管和一个电阻组成，当电压超过一定值时，二极管开始导通，从而将多余的电流导向地面，从而实现了稳压的功能。

三、开关电路

二极管还可以用于开关电路中。在开关电路中，二极管可以通过改变其正向电压降来控制电路的开关状态。当二极管导通时，电路处于开启状态，而当二极管截止时，电路处于关闭状态。开关电路通常由一个二极管和一个负载组成，通过改变二极管的导通状态来控制负载的开关。

四、信号检测电路

信号检测电路是另一个常见的二极管应用。在电路中，二极管可以通过改变其正向电压降来实现信号检测的功能。信号检测电路通常由一个二极管和一个电容组成，当信号的幅度超过一定值时，二极管开始导通，从而将信号导向负载。这样，就可以实现对信号的检测和处理。

二极管是一种非常重要的电子元件，具有广泛的应用。通过上述四种典型应用电路的介绍，我们可以更好地理解二极管的工作原理和应用场景，从而更好地应用二极管。

二极管的作用介绍

一.半导体二极管的分类

半导体二极管按其用途可分为：普通二极管和特殊二极管。普通二极管包括整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、快速二极管等；特殊二极管包括变容二极管、发光二极管、隧道二极管、触发二极管等。

二.半导体二极管的主要参数

1．反向饱和漏电流IR

指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。在常温下，硅管的IR为纳安（10-9A）级，锗管的IR为微安（10-6A）级。

2．额定整流电流IF

指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。目前大功率整流二极管的IF值可达1000A。

3. 最大平均整流电流IO

在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。这是设计时非常重要的值。

4. 最大浪涌电流IFSM 允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。

5．最大反向峰值电压VRM

即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。 因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前最高的VRM值可达几千伏。

6. 最大直流反向电压VR

上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压时的值。用于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的.

7．最高工作频率fM

由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千赫。

8．反向恢复时间Trr

当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，此项指标至为重要。

二极管其他7中应用电路详解

许多初学者对二极管很“熟悉”，提起二极管的特性可以脱口而出它的单

向导电特性，说到它在电路中的应用第一反应是整流，对二极管的其他特性和

应用了解不多，认识上也认为掌握了二极管的单向导电特性，就能分析二极管

参与的各种电路，实际上这样的想法是错误的，而且在某种程度上是害了自己，

因为这种定向思维影响了对各种二极管电路工作原理的分析，许多二极管电路

无法用单向导电特性来解释其工作原理。

二极管除单向导电特性外，还有许多特性，很多的电路中并不是利用单向导

电特性就能分析二极管所构成电路的工作原理，而需要掌握二极管更多的特性

才能正确分析这些电路，例如二极管构成的简易直流稳压电路，二极管构成的

温度补偿电路等。

1 二极管简易直流稳压电路及故障处理

二极管简易稳压电路主要用于一些局部的直流电压供给电路中，由于电路简

单，成本低，所以应用比较广泛。

二极管简易稳压电路中主要利用二极管的管压降基本不变特性。

二极管的管压降特性：二极管导通后其管压降基本不变，对硅二极管而言这

一管压降是0.6V左右，对锗二极管而言是0.2V左右。

如图1.1所示是由普通3只二极管构成的简易直流稳压电路。电路中的

VD1、VD2和VD3是普通二极管，它们串联起来后构成一个简易直流电压稳压电路。

图1.1 3只普通二极管构成的简易直流稳压电路

1.1电路分析思路说明

分析一个从没有见过的电路工作原理是困难的，对基础知识不全面的初学

者而言就更加困难了。 关于这一电路的分析思路主要说明如下。

（1）从电路中可以看出3只二极管串联，根据串联电路特性可知，这3只二极

管如果导通会同时导通，如果截止会同时截止。

（2）根据二极管是否导通的判断原则分析，在二极管的正极接有比负极高得多

的电压，无论是直流还是交流的电压，此时二极管均处于导通状态。从电路中可

以看出，在VD1正极通过电阻R1接电路中的直流工作电压+V，VD3的负极接

地，这样在3只串联二极管上加有足够大的正向直流电压。由此分析可知，3只