特殊二极管：工作原理及应用

1.稳压二极管

（1）稳压二极管的结构及工作原理。

稳压二极管是一种特殊的硅材料二极管，又叫齐纳二极管，在一定的条件下具有稳定电压的作用，常用于基准电压、保护、限幅和电平转换电路中。稳压二极管器件的外形图及电路符号如图5.12所示。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。稳压二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分挡的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。

图5.12　稳压二极管的外形图及符号

稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，称为击穿，在这一临界击穿点上，反向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能。硅稳压管特性曲线，如图5.13所示。

图5.13　硅稳压二极管特性曲线

（2）稳压二极管的参数。

① 稳定电压UZ。稳压二极管反相击穿后的稳定工作电压值。

② 稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的工作电流，是稳压二极管工作时的电流值，若实际电流低于此值时稳压效果变坏，只要不超过稳压管的额定功率，电流越大，稳压效果越好。

③ 最大稳定电流IZM。稳压二极管允许通过的最大反向电流。

④ 动态电阻rZ。稳压二极管正常工作时，其电压的变化量与相应电流变化量的比值。动态电阻越小，稳压效果越好。

⑤ 最大允许耗散功率PZM。管子不致发生热击穿而损坏的最大功率损耗，它等于最大稳定电流与相应稳定电压的乘积。

（3）稳压二极管识别判断。

① 正负极识别。

从外形上看，金属封装稳压二极管管体的正极一端为平面形，负极一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。对标志不清楚的稳压二极管，也可以用万用表判别其极性，测量的方法与普通二极管相同，即用万用表R×1k挡，将两表笔分别接稳压二极管的两个电极，测出一个结果后，再对调两表笔进行测量。在两次测量结果中，阻值较小那一次，黑表笔接的是稳压二极管的正极，红表笔接的是稳压二极管的负极。这里采用的是指针式万用表。

② 色环稳压二极管识别。

色环稳压二极管国内产品很少见，大多数来自国外，尤其以日本产品居多。一般色环稳压二极管都标有型号及参数，详细资料可在元件手册上查到。而色环稳压二极管体积小、功率小、稳压值大多在10 V以内，极易击穿损坏。色环稳压二极管的外观与色环电阻十分相似，因而很容易弄错。色环稳压二极管上的色环代表两个含义：一是代表数字，二是代表小数点位数（通常色环稳压二极管都是取一位小数，用棕色表示，也可理解为倍率，即×10-1，具体颜色对应的数字同色环电阻）。

由于小功率稳压二极管体积小，在管子上标注型号较困难，所以一些国外产品采用色环来表示它的标称稳定电压值。如同色环电阻一样，环的颜色有棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、黑，它们分别用来表示数值1、2、3、4、5、6、7、8、9、0。

有的稳压二极管上仅有2道色环，而有的却有3道。最靠近负极的为第1环，后面依次为第2环和第3环。

仅有2道色环的，标称稳定电压为两位数，即“×× V”（几十几伏）。第1环表示电压十位上的数值，第2环表示个位上的数值。如：第1、2环颜色依次为红、黄，则为24 V。

有3道色环，且第2、3两道色环颜色相同的，标称稳定电压为一位整数且带有一位小数，即“×.× V”（几点几伏）。第1环表示电压个位上的数值。第2、3两道色环（颜色相同）共同表示十分位（小数点后第一位）的数值。如：第1、2、3环颜色依次为灰、红、红，则为8.2 V。

有3道色环，且第2、3两道色环颜色不同的，标称稳定电压为两位整数并带有一位小数，即“××.× V”（几十几点几伏）。第1环表示电压十位上的数值。第2环表示个位上的数值。第3环表示十分位（小数点后第一位）的数值。不过这种情况较少见，如：棕、黑、黄（10.4 V）和棕、黑、灰（10.8 V），常用稳压二极管的型号对照表（注：后面的二极管型号是以1开头的，如1N4728，1N4729等）。

③ 与普通整流二极管的区分。

首先利用万用表R×1k挡，按把被测管的正、负电极判断出来。然后将万用表拨至R×10 k挡上，黑表笔接被测管的负极，红表笔接被测管的正极，若此时测得的反向电阻值比用R×1 k挡测量的反向电阻小很多，说明被测管为稳压管；反之，如果测得的反向电阻值仍很大，说明该管为整流二极管或检波二极管。这种识别方法的道理是，万用表R×1 k挡内部使用的电池电压为1.5 V，一般不会将被测管反向击穿，使测得的电阻值比较大。而R×10 k挡测量时，万用表内部电池的电压一般都在9 V以上，当被测管为稳压管，切稳压值低于电池电压值时，即被反向击穿，使测得的电阻值大为减小。但如果被测管是一般整流或检波二极管时，则无论用R×1 k挡测量还是用R×10 k挡测量，所得阻值将不会相差很悬殊。注意，当被测稳压二极管的稳压值高于万用表R×10 k挡的电压值时，用这种方法是无法进行区分鉴别的。

（4）稳压二极管的应用。

如果是两个稳压二极管反向串联，正、反方向电压到达稳压值时，电压被钳位（即不能再升高）。

① 经常在功率较大的放大电路，功率管的栅极G与源极S即发射结一个稳压二极管，这是通过限制电压对G-S起保护作用，防止G-S之间的绝缘层被过高的电压击穿。

② 两个二极管反向串联后对与之并联的电路可起过压保护作用，当电路过压时，二极管首先击穿短路。

2.发光二极管(www.xing528.com)

发光二极管简称为LED，由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。发光二极管是一种能将电能转换成光能的半导体器件，当它通过一定的电流时就会发光，常用作显示器件，如指示灯、七段显示器、矩阵显示器等。发光二极管器件的外形图及电路符号如图5.14所示。经常使用的发红光、绿光、黄光的发光二极管，管脚引线较长者为正极，较短者为负极，开启电压范围为1.5～2.3 V。为使二极管工作稳定，其两端电压一般应在5 V以下。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5 V。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。

图5.14　发光二极管的外形图及符号

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。其应用电路如图5.15所示。

图5.15　电-光转换电路

3.光敏二极管

（1）光敏二极管结构及工作原理。

光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。各种光敏二极管器件的外形图及电路符号如图5.16所示。

图5.16　光敏二极管的外形图及符号

光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接收入射光照，PN结面积尽量做得大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1 μm。

光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1 μA），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。

它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

光敏二极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光敏二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光敏二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。其应用电路如图5.17所示。

图5.17　光-电转换电路

（2）光敏二极管的检测。

检测光敏二极管，可用万用表R×1k电阻挡。当没有光照射在光敏二极管时，它和普通的二极管一样，具有单向导电作用。正向电阻为8～9 kΩ，反向电阻大于5 MΩ。如果不知道光敏二极管的正负极，可用测量普通二极管正、负极的办法来确定，当测正向电阻时，黑表笔接的就是光敏二极管的正极。

当光敏二极管处在反向连接时，即万用表红表笔接光敏二极管正极，黑表笔接光敏二极管负极，此时电阻应接近无穷大（无光照射时），当用光照射到光敏二极管上时，万用表的表针应大幅度问右偏转，当光很强时，表针会打到0刻度右边。

当测量带环极的光敏二极管时，环极和后极（正极）也相当一个光敏二极管，其性能也具有单向导电作用和见光后反向电阻大大下降。

区分环极和前极的办法是，在反向连接情况下，让不太强的光照在光敏二极管上，阻值略小的是前极，阻值略大的是环极。

（3）光敏二极管的应用。

PN结型光敏二极管与其他类型的光探测器一样，在诸如光敏电阻、感光耦合元件以及光电倍增管等设备中有着广泛应用。它们能够根据所受光的照度来输出相应的模拟电信号（例如测量仪器）或者在数字电路的不同状态间切换（例如控制开关、数字信号处理）。

光敏二极管在消费电子产品，例如CD播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。对于许多应用产品来说，可以使用光敏二极管或者其他光导材料。它们都可以被用于测量光，常常工作在照相机的测光器、路灯亮度自动调节等。

所有类型的光传感器都可以用来检测突发的光照，或者探测同一电路系统内部的发光。光敏二极管常常和发光器件（通常是发光二极管）被合并在一起组成一个模块，这个模块常被称为光电耦合元件。如果这样就能通过接收到光照的情况来分析外部机械元件的运动情况（例如光斩波器）。光敏二极管另外一个作用就是在模拟电路以及数字电路之间充当中介，这样两段电路就可以通过光信号耦合起来，这可以提高电路的安全性。

在科学研究和工业中，光敏二极管常常被用来精确测量光强，因为它比其他光导材料具有更良好的线性。

在医疗应用设备中，光敏二极管也有着广泛的应用，例如X射线计算机断层成像以及脉搏探测器。

PIN结型光敏二极管一般不用来测量很低的光强。如果弱光情况下需要高灵敏度探测器，雪崩光敏二极管、感光耦合元件或者光电倍增管就能发挥作用，例如天文学、光谱学、夜视设备、激光测距仪等应用产品。