二极管伏安特性及主要参数分析

1.二极管的伏安特性

在一个PN结的两端接上电极引线，外面用金属（或玻璃、塑料等）管壳封闭起来，便构成了二极管。其结构示意图和图形符号如图2-8所示。

二极管的导电特性实际上就是PN结的单向导电性，加在二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系称为二极管的伏安特性。它可通过测试电路（如图2-9所示）测试出来，即分别在二极管两端加上正向电压和反向电压，改变电压数值的大小，同时再分别测量流过二极管的电流值，就可得到二极管的伏安特性曲线。图2-10所示分别为硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线。

图2-8 二极管的结构示意图和图形符号

图2-9 二极管伏安特性测试电路

图2-10 二极管的伏安特性曲线

由图中可见，二极管两端的电压和流过二极管的电流呈非线性关系，所以二极管的伏安特性曲线是一条非线性曲线。以锗二极管为例，如图2-10b所示，曲线可分为以下三部分。

（1）正向特性 对应于图2-10b的第①段，当二极管两端加正向电压且小于某一数值时，二极管的正向电流几乎为零；当正向电压达到某一值时，正向电流迅速增大，而且电压少许增大，正向电流就增加许多，表现为一较小电阻。使二极管刚刚出现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U_th表示，其大小和二极管的材料有关。硅二极管的U_th约为0.5V，锗二极管的U_th约为0.1V。

二极管导通后，其管压降基本不变，二极管的正向电流发生很大变化时，正向压降只有微小变化。硅二极管的正向压降为0.7V左右，锗二极管正向压降为0.3V左右。但当温度升高时，其管压降会略有下降。

（2）反向特性 对应于图2-10b的第②段，当二极管两端加反向电压，并且反向电压小于一定数值时，反向电流很小，表现为一个很大的电阻。反向电流有以下特点：

1）反向电压在一定范围内变化时，反向电流基本不变，呈饱和性，所以称之为反向饱和电流。一般硅管的反向饱和电流比锗管小很多。

2）反向电流受温度影响很大，当温度升高时，其值随温度的升高而加大，而反向饱和电流加大，将影响二极管的单向导电性。

（3）反向击穿特性 对应于图2-10b的第③段，当反向电压增加到某一数值时，二极管反向电流迅速增大，此时的二极管处于反向击穿状态。使二极管反向击穿的反向电压称为反向击穿电压，用U_BR表示。处于反向击穿状态下的二极管将失去单向导电性。

二极管的击穿同PN结的击穿一样也有两种情况，电击穿和热击穿。电击穿不是永久性击穿，去掉反向电压后，二极管能恢复正常特性。而热击穿则为永久性击穿，当去掉反向电压后，二极管也不能恢复正常特性，在实际应用中应尽量避免这种情况的发生。

图2-11 温度对二极管伏安特性的影响

2.二极管的温度特性

热振动的强度随温度的升高而增大，因而温度升高对二极管特性的影响是不容忽视的。图2-11是温度对二极管特性影响的示意图。

由图中可以看出：正向特性随温度升高而左移，反向饱和电流随温度升高而剧增。

当温度升高，本征半导体的电导率提高，且二极管正向电压一定时，正向电流随温度的升高而加大。所以二极管特性曲线将左移。这是造成以PN结为基础的半导体器件温度稳定性不好的原因之一。但利用这一特性在电路中可以用作温度补偿器件。

二极管的反向饱和电流也与温度密切相关。温度升高时，少数载流子增加，所以反向电流也将急剧增加。通常温度每升高1℃，反向饱和电流约增加一倍。

半导体二极管的温度稳定性不好，所以在使用时要注意温度的影响。

3.二极管的伏安特性表达式

理论和实验均可证明，二极管的伏安特性可近似由式（2-1）表示，即(https://www.xing528.com)

式中，i_D为流过二极管的电流（A）；I_S为反向饱和电流（A）；u_D为外加电压（V）；U_T为温度的电压当量，常温（T=300K）时，U_T=26mV；e为自然对数的底，e≈2.71828。

对式（2-1）可以从两方面加以分析：

1）当二极管两端加正向电压时，电压u_D为正值，当u_D较U_T大几倍时，式（2-1）成为

这样，流过二极管的电流随加在二极管两端的电压成指数关系增加，如图2-10b的第①段所示。

2）当二极管两端加上反向电压时，电压u_D为负值。当|u_D|比U_T大几倍时，式（2-1）中的指数项很快趋近于零，于是i_D≈-I_S，如图2-10b的第②段所示。由此可知，反向饱和电流是个常数，不依外加反向电压变化而变动。

4.二极管的主要参数

器件参数是对器件性能的定量描述，是选择器件的依据。二极管的主要参数如下所述：

（1）最大整流电流I_FM 它是二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流。其大小取决于PN结的面积、材料和散热条件。一般二极管的I_FM值可达几毫安，大功率二极管的可达几安。工作电流不要超过I_FM值，否则二极管将因热击穿而烧毁。

（2）最高反向工作电压U_RM 它是保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向电压。一般手册中给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保二极管安全运行。例如2AP1最高反向工作电压规定为20V，而反向击穿电压实际上大于40V。

（3）反向饱和电流I_S 它是二极管未击穿时的反向电流值。I_S越小，二极管的单向导电性越好。实际应用时应注意温度对I_S的影响。

（4）最大功耗P_M 它是保证二极管安全工作所允许的最大功率损耗。通常大功率二极管要加散热片。

（5）直流电阻R_D 它是二极管特性曲线上工作点所对应的直流电压与直流电流之比，即

显然，工作点不同，其直流电阻值就不同。器件的参数随工作电压和电流的变化而变化，这种现象是非线性器件特有的性质。R_D在工程计算中用处不大，但可用来说明二极管单向导电性的好坏。平时用万用表欧姆档测量出的二极管电阻就是直流电阻R_D。一般二极管的正向直流电阻为几十至几百欧，反向直流电阻为几千至几百千欧。

（6）交流电阻r_d 二极管在小信号工作情况下，需要用到交流电阻这一参数。如图2-12所示，交流电阻r_d的定义是：二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化量与相应的电流变化量之比，即

图2-12 交流电阻r_d的几何意义

r_d的数值是随工作点电流的增大而减小的，通常正向交流电阻r_d为几欧到几十欧之间。

r_d的数值还可从二极管的伏安特性表达式（2-1）导出，即

例如，当Q点I_Q=2mA时，r_d=26mV/2mA=13Ω。

（7）最高工作频率f_M PN结具有电容效应，它的存在限制了二极管的工作频率。如果通过二极管的信号频率超过管子的最高工作频率，则结电容的容抗变小，高频电流将直接从结电容通过，二极管的单向导电性变差。