第#

章

二极管原理

本章继续研究二极管"首先讨论二极管的特性曲线#然后讨论二极管的近似"通常#

对二极管进行精确分析是十分复杂和耗时的#因此需要进行近似处理"例如#二极管的理

想化近似可以用于故障诊断#二阶近似可以进行快速而简便的分析#三阶近似可以获得更

高的精度#或者用计算机获得近乎精确的结果"

目标

在学习完本章后!你应该能够"

画出二极管的符号!标出正极和负极#

画出二极管特性曲线!标出所有关键点及关键区域#

描述理想二极管特性#

描述二阶近似二极管特性#

描述三阶近似二极管特性#

列出二极管数据手册上的四项基本参数#

使用数字万用表或欧姆表来测量二极管$

关键术语

正极 %

/+"$'

&

体电阻 %

80#M('&*&,/+!'

&

负极 %

!/,7"$'

&

理想二极管 %

*$'/#$*"$'

&

阈值电压 %

M+''."#,/

9

'

&

线性器件 %

#*+'/($'.*!'

&

负载线 %

#"/$#*+'

&

最大正向电流 %

3/4*303-"(5/($!0(('+,

&

非线性器件 %

+"+#*+'/($'.*!'

&

欧姆电阻 %

"73*!('&*&,/+!'

&

额定功率 %

2

"5'((/,*+

9

&

参量增减分析法 %

0

2

%$"5+/+/#

1

&*&

&

图@%;

!

二极管

$"!

!

基本概念

普通电阻是线性器件!它的电流

电压特性曲线 %伏安特性曲线&是

一条直线$二极管则不同!它的电流

电压特性曲线不是直线!因此是非

线性器件$原因是二极管存在势垒!

当加在二极管两端的电压小于势垒电

压时!流过二极管的电流很小#当二

极管上的电压超过势垒电压时!电流

就会迅速增加$

$"!"!

!

电路符号及封装规格

图@%;/

为二极管的电路符号!

:

端称为正极!

;

端称为负极$二极管的符号看起来像一个箭头!从:

端指向;

端!从正极指

向负极$图@%;8

所示是一些典型二极管的封装规格$多数二极管的负极引脚 %

^

&都有一个

彩条标识$

$"!"#

!

基本二极管电路

图@%;!

所示是一个二极管电路$在该电路中!电池的正极通过一个电阻来驱动二极管

的:

端!负极与二极管的;

端相连!所以二极管正向偏置$在这种连接下!电路驱动空穴

和自由电子向结的方向移动$

在较复杂的电路中!判断二极管是否正向偏置可能比较困难$这里有一个方法!不妨

试着回答如下问题"外部电路对二极管电流的驱动是否沿着载流子容易流动的方向( 如果

是!则该二极管是正向偏置的$

容易流动的方向该如何确定( 如果选择常规的电流!其容易流动的方向就是二极管箭

头所指的方向$如果选用电子流!则是相反的方向$

当二极管是复杂电路的一部分时!也可以用戴维南定理来判断它是否是正向偏置$例

如!假设能够将一个复杂电路用戴维南定理简化为图@%;!

所示的电路!则可知这个二极管

是正向偏置的$

$"!"$

!

正向区域

在实验室中搭建如图@%;!

所示的电路$完成电路连接后!可以测量流过二极管的电流

以及二极管两端的电压$也可以将直流电源反接!测量二极管在反偏时的电流和电压$如

果绘制二极管的电流!

电压特性曲线!就可以得到类似图@%<

所示的图形$

!

图@%<

!

二极管特性曲线

该特性曲线是前面章节中所讨论的一些概念

的图形化总结$例如!当二极管正偏时!在二极

管上电压大于势垒电压之前!流过二极管的电流

不明显$当二极管反偏时!反向电流几乎为零!

直至二极管上电压达到击穿电压$而且!雪崩效

应产生很大的反向电流!将会损坏二极管$

$"!"%

!

阈值电压

在正向区域!二极管电流开始迅速增加的电

压被称为阈值电压!阈值电压等于势垒电压$对二极管电路的分析经常归结为确定二极管

电压是否大于阈值电压$如果大于阈值电压!则二极管的导通性良好$否则!二极管的导

通性较差$定义硅二极管的阈值电压为"

$

)

%

?GUN

%

@%;

&

%注意"符号 )

%

*表示 )近似等于*$&

虽然锗二极管已很少出现在新设计的电子产品中!但在一些特殊电路以及早期的设备

中仍然可能会见到它们$基于这个原因!需要知道锗二极管的阈值电压大约是?G@N

$阈

值电压较低是锗二极管的一个优势!也是它在一些特定场合应用的原因$

$"!"'

!

体电阻

电压大于阈值电压后!二极管电流迅速增加!即很小的电压增量就会引起很大的电流增

C;

第@

章!

二极管原理

量$在势垒被克服后!只有:

区和;

区的欧姆电阻是阻止电流的因素$换句话说!如果:

区

和;

区是半导体的两个独立部分!则可以用欧姆表测量每一部分的电阻!就像普通电阻一样$

这两个欧姆电阻之和被称为二极管的体电阻!定义如下"

.

6

"

.

@

-

.

7

%

@%<

&

体电阻的大小取决于:

区和;

区的尺寸及掺杂浓度!通常小于;

!

$

$"!"(

!

最大正向直流电流

如果电流太大!则二极管会因过热而烧毁$因此!制造商会在数据手册中列出二极管

安全工作时的最大电流!即不会缩短其使用寿命且不会导致其性能恶化的最大工作电流$

最大正向电流是数据手册中给出的最大额定指标之一!可表示为/

3/4

!

/

I

%

3/4

&

!

/

_

等$

例如!二极管;6CAB

的最大正向电流为;@A3D

!说明该二极管在正向电流是;@A3D

时仍

能持续安全工作$

$"!")

!

功耗

可以用计算电阻功率的方法来计算二极管的功率!即二极管电压与电流的乘积!公式

如下"

@

9

"

$

9

/

9

%

@%@

&

额定功率是指二极管在不缩短其使用寿命且不导致其性能恶化的情况下安全工作的最

大功率$公式如下"

@

3/4

"

$

3/4

/

3/4

%

@%C

&

其中!

$

3/4

是二极管工作在/

3/4

时相应的电压$例如!若一个二极管的最大电压和最大电

流分别是;N

和<D

!则它的额定功率为<E

$

例$&!

图@%@/

中所示的二极管是正向偏置的还是反向偏置的(

解"由于电阻.

<

两端的电压是正的!因此电路使电流沿着易于流动的方向流动$如

果仍然不能清楚判断!则可以先得到从二极管看进去的戴维南等效电路!如图@%@8

所示!

在这个串联电路中!可以看到直流电源是驱使电流向易于流动的方向流动的$因此!该二

极管是正向偏置的$

如果在判断上没有把握!则可以将电路简化成串联电路!这样可以清楚地判别出直流

电源是否沿易于流动的方向驱动电流$

自测题$&!

!

图@%@!

中的二极管是正向偏置的还是反向偏置的$

图@%@

!

举例

例$&#

某二极管的额定功率是AE

$如果该二极管上的电压为;G<N

!流过它的电流

为;GUAD

!那么它的功率是多少( 该二极管是否会被烧毁(

解"

@

9

"

;G<N

>

;GUAD

S

<G;E

C<

电子电路原理

小于额定功率!因此该二极管不会被烧毁$

自测题$&#

!

例@%<

中#如果二极管上的电压为;G;N

#流过它的电流为<D

#其功率是

多少$

$"#

!

理想二极管

图@%C

为二极管正向区域特性曲线!可以看到二极管电流/

9

与电压$

9

的关系$在二

极管电压接近势垒电压之前!电流几乎为零$在?GB

$

?GUN

附近!电流开始增加$当二极

管电压超过?GLN

之后!电流急剧增加!特性近乎直线$

!

图@%C

!

正向电流曲线

不同二极管的最大正向电流'额定功

率等特性可能有所不同!这取决于二极管

的物理尺寸以及掺杂浓度$如果需要得到

精确的结果!必须使用特定二极管的特性

曲线$虽然各个二极管的确切电流和电压

点有所不同!但任何二极管的特性曲线都

类似于图@%C

所示的曲线!所有硅二极管的

阈值电压都在?GUN

左右$

多数情况下并不需要精确求解!这也

是对二极管采用近似分析的原因$首先分

析最简单的理想二极管近似$在多数基本

应用中!二极管的正向导通特性良好而反

向导通特性较差$理想情况下!正向偏置时二极管如同一个理想导体 %电阻为零&!而反

向偏置时二极管如同一个理想绝缘体 %电阻无穷大&$

!

图@%A

!

理想二极管

图@%A/

所示是理想二极管的伏安特性

曲线$正向偏置时电阻为零!反向偏置时电

阻无穷大$但现实中无法制造这样的器件$

什么器件能够像理想二极管那样工作

呢( 答案是开关$普通开关闭合时电阻为

零!断开时电阻无穷大$因此理想二极管就

像一个正偏时闭合'反偏时断开的开关$

图@%A8

显示了二极管的开关特性$

例$&$

用理想二极管模型计算图@%B/

所示电路的负载电压和负载电流$

解"由于二极管是正偏!所以等效于一个闭合的开关$将二极管看成一个闭合的开

关!则电源电压全部加到负载电阻上"

$

0

S

;?N

由欧姆定律!可得负载电流为"

/

0

S

;?N

;M

!

S

;?3D

自测题$&$

!

在图@%B/

所示电路中#如果电源电压为AN

#试求理想负载电流&

例$&%

图@%B8

所示电路中采用理想二极管!计算负载电压和负载电流$

解"一种求解方法是画出二极管左边电路的戴维南等效电路$从二极管向电源方向看

C@

第@

章!

二极管原理

去!电源电压被BM

!

和@M

!

的电阻分压!因此戴维南电压为;<N

!戴维南电阻为<M

!

$

驱动二极管的戴维南等效电路如图@%B!

所示$%如此处有疑问!请复习例;%@

$&

图@%B

!

举例

由这个串联电路可以判断二极管是正向偏置的$将二极管视作一个闭合的开关!可以

进行以下计算"

/

0

"

;<N

@M

!

S

C3D

以及"

$

0

"

C3D

>

;M

!S

CN

也可以不通过戴维南定理!而将二极管看作闭合的开关!直接分析图@%B8

中的电路$

@M

!

的电阻与;M

!

的电阻并联!等效电阻为UA?

!

$由欧姆定律可得!

BM

!

电阻上的压降

为@<N

$继续分析可得到相同的答案$

自测题$&%

!

图@%B8

所示电路中#将@BN

电源电压换成;LN

#用理想二极管分析计算

负载电压及负载电流&

知识拓展!

对含有一个应该为正向偏置的硅二极管电路进行故障诊断时#如果测

得这个二极管的压降远大于?GUN

#则说明该二极管已经损坏且处于开路状态"

!

图@%U

!

二极管的二阶近似

$"$

!

二阶近似

二极管理想化近似适用于大多数的故障诊断!但有时我们希望

得到更精确的负载电压和负载电流!这时需要采用 )二阶近似&$

图@%U/

所示是二极管二阶近似的伏安特性曲线$由图可知!

当二极管电压小于?GUN

时没有电流$当电压等于?GUN

时二极

管导通$之后!无论电流为何值!二极管上的电压均为?GUN

$

!

图@%L

!

举例

图@%U8

所示为硅二极管的二阶近似等效电路$将二极管看

作一个开关与?GUN

的电压源串联$如果二极管两端的戴维南电

压大于?GUN

!则开关闭合$导通以后!无论正向电流为何值!

加在二极管上的电压均为?GUN

$如果戴维南电压小于?GUN

!则

开关断开$此时!二极管上没有电流$

例$&'

采用二阶近似来计算图@%L

所示电路中的负载电压'负

载电流及二极管功率$

解"由于二极管是正向偏置的!可等效为一个?GUN

的电池$则

负载电压等于电源电压减去二极管上的压降"

$

0

"

;?N

[

?GUN

S

=G@N

由欧姆定律可得负载电流为"

CC

电子电路原理

/

0

"

=G@N

;M

!

S

=G@3D

二极管功率为"

@

9

"

?GUN

>

=G@3D

S

BGA;3E

自测题$&'

!

将图@%L

所示电路中的电压源换成AN

#重新计算负载电压%电流及二极

管功率&

图@%=

!

举例

例$&(

采用二阶近似来计算图@%=/

所示电路中的负载电

压'负载电流以及二极管功率$

解"用戴维南定理等效二极管左边的电路$戴维南电压和

电阻分别为;<N

和<M

!

$化简后的电路如图@%=8

所示$

由于二极管上电压为?GUN

!负载电流为"

/

0

"

;<N

[

?GUN

@M

!

S

@GUU3D

负载电压为"

$

0

"

@GUU3D

>

;M

!S

@GUUN

二极管功率为"

@

9

"

?GUN

>

@GUU3D

S

<GBC3E

自测题$&(

!

使用;LN

的电源电压#重新计算例@%B

&

$"%

!

三阶近似

在二极管的三阶近似中!考虑了体电阻.

6

的作用!

.

6

对二极管特性曲线的影响如图

@%;?/

所示$二极管导通后!电压随着电流的增加而线性增加$电流越大!则体电阻上的

图@%;?

!

二极管的三阶近似

压降越大!所以二极管两端的电压也就越大$

二极管的三阶近似等效电路是一个开关与?GUN

的电压

源以及电阻.

6

的串联 %见图@%;?8

&$当二极管上的电压超

过?GUN

时!二极管导通$在导通期间!二极管两端的电

压为"

$

9

"

?GUN

-

/

9

.

6

%

@%A

&

通常体电阻小于;

!

!因此在计算中可以忽略$忽略体电

阻的准则如下"

忽略体电阻!

.

6

"

?G?;.

23

!

@%B

"

即当体电阻小于二极管两端对应电路的戴维南等效电阻值的

;

+

;??

时!则体电阻可以忽略$如果满足这个条件!误差将会

小于;W

$由于电路设计常常满足式 %

@%B

&!因此三阶近似用

的不多$

例$&)

图@%;;/

所示的二极管;6C??;

的 体 电 阻 为

?G<@

!

$求负载电压'负载电流及二极管功率$

解"用二极管三阶近似的等效电路来代替二极管!得到

图@%;;8

$由于二极管的体电阻小于负载电阻的;

+

;??

!可以被忽略$此时!可以用二阶

近似来求解$求解方法同例@%B

!求得负载电压!负载电流以及二极管功率分别是=G@N

!

=G@3D

和BGA;3E

$

CA

第@

章!

二极管原理

图@%;;

!

举例

例$&*

将负载电阻改为;?

!

!重新求解例@%U

$

图@%;<

!

举例

解"图@%;</

所示为其等效电路$总电阻为"

.

2

"

?G<@

!T

;?

!S

;?G<@

!

.

:

上的电压为"

$

2

"

;?N

[

?GUN

S

=G@N

因此!负载电流为"

/

0

"

=G@N

;?G<@

!

S

?G=?=D

负载电压为"

$

0

"

?G=?=D

>

;?

!S

=G?=N

计算二极管功率!需要知道二极管两端的电压$

有两种方法求解$可以用电源电压减去负载电压"

$

9

"

;?N

[

=G?=N

S

?G=;N

或者使用式 %

@%A

&"

$

9

"

?GUN

T

?G=?=D

>

?G<@

!S

?G=?=N

上述两个结果间的微小差别是由四舍五入造成的$

二极管功率为"

@

9

"

?G=?=N

>

?G=?=D

S

?GL<BE

还有两点值得注意$第一!二极管;6C??;

的最大

正向电流为;D

!额定功率为;E

!因此在负载电

阻为;?

!

的情况下!二极管已接近极限值$第二!

在三阶近似下得到的负载电压为=G?=N

!已十分接近用J0#,*Q*3

仿真得到的负载电压

=G?LN

%见图@%;<8

&$

表@%;

列出了三种二极管近似情况的区别$

表$&!

!

二极管近似

一阶或理想化近似 二阶近似 三阶近似

使用场合 故障诊断或快速分析 常规技术分析 高级设计或工程分析

二极管特性曲线

CB

电子电路原理

%续&

一阶或理想化近似 二阶近似 三阶近似

等效电路

电路实例

自测题$&*

!

将电源电压改为AN

#重新计算例@%L

&

$"'

!

故障诊断

可以用欧姆表的中高阻挡快速检测二极管的工作状况$首先测量二极管任意偏置方向

的直流电阻!然后改变偏置方向再次测量$正向电流的大小与欧姆表使用的量程有关!即

在不同的量程会得到不同的读数$

通常希望二极管的反向电阻和正向电阻的比率较高$对于电子产品中的典型硅二极

管!这个比率应该高于;???V;

$一定要使用尽可能高的电阻量程进行测量!以避免对二

极管造成的损坏$一般来讲!

`>;??

与`>;̂

挡就能保证安全的测量$

图@%;@

!

故障诊断测试

用欧姆表测量二极管是合格检测的一个例子$实际上不必关心二极管直流电阻的确切

CU

第@

章!

二极管原理

值!真正需要知道的是二极管是否具有较低的正向电阻和较高的反向电阻$二极管的故障

表现为以下情况"正向电阻和反向电阻都极低 %二极管短路&#正向电阻和反向电阻都很

高 %二极管开路&#反向电阻有点低 %称为泄漏二极管&$

大多数数字万用表设置为欧姆挡或电阻挡时!都无法提供适合于测试:

;

结二极管的

输出电压及输出电流$但大多数数字万用表都有一个专门用于二极管的测试挡$当万用表

设置在该挡时!无论接上什么器件!它都能提供约;3D

的恒定电流$正向偏置时!数字

万用表显示:

;

结的正向电压$

I

!如图@%;@/

所示$对于普通硅:

;

结二极管来说!这个

正向电压一般在?GA

$

?GUN

之间$反向偏置时!数字万用表将会给出一个溢出提示!如

)

_RO6

*或 )

;

*!如图@%;@8

所示$短路的二极管两个方向的测量电压都小于?GAN

$开

路的二极管两个方向的测量电压都会显示溢出$而泄漏二极管在两个方向的测量电压都会

图@%;C

!

电路的故障

诊断

小于<N

$

例$&+

图@%;C

所示是前文分析过的二极管电路$假设该二极

管因为某种原因而烧毁!将会看到什么现象(

解"二极管被烧毁后变为开路!电流下降为零$因此!在测

量负载电压时!电压表的读数为零$

例$&!,

假设图@%;C

中的电路不能工作!如果负载电阻没有

短路!那么故障在什么地方(

解"故障可能有多种$第一!二极管开路#第二!电源电压的输出为零#第三!有一

根导线断开了$

确定故障的方法如下"首先通过测量电压找出可能存在问题的元件!然后断开该元件

与电路的连接!再测量它的电阻$例如!可以先测量电源电压!然后再测量负载电压$如

果电源电压正常而负载电压为零!那么二极管就有可能是开路的!用欧姆表或数字万用表

进行测量就可以确定$如果二极管经测量没有问题!再检查是否是连线出了问题!因为只

有这一种因素可能造成电源电压存在而负载电压为零$

如果测量显示没有电源电压!则可能是电源本身存在问题或者是电源与二极管之间的

连线断开了$电源方面出现问题是很常见的!电子设备不工作!问题通常出在电源上$因

此大部分的故障诊断都是从测量电源电压开始的$

$"(

!

电路的参量增减分析

参量增减分析是帮助我们理解电路的最好方法$任何电路都存在独立变量 %如电源电

压!支路电阻等&以及相关变量 %如电阻两端的电压!电流及功率等&$当独立变量增大

时!每个相关变量通常会随之增大或减小$如果理解了电路的工作原理!就可以对相关变

图@%;A

!

对电路进行参量

增减分析

量的增大或减小做出预测$

下面用这个方法对图@%;A

所示的电路进行分析$

;?N

的电源

电压$

'

加在二极管及与其串联的;M

!

负载电阻.

0

上$对二极管

进行二阶近似!电路中有三个独立变量"

$

'

'

.

0

和$

)

$把阈值

电压作为独立变量!是因为它的值可能与?GUN

的理想值略有不

同$还有五个相关变量"

$

0

'

/

0

'

@

9

'

@

0

和@

2

!它们分别是负

载电压'负载电流'二极管功率'负载功率和总功率$

假设电源电压$

'

存在一个微小的增量!如;?W

!那么各个相关变量将如何变化( 增

大!减小!还是不变( 在解决这个问题时!可能会想到的情况是"

CL

电子电路原理

表$&#

!

参量增减分析

!

(

)

(

*

+

*

(

*

,

$

'

增大 增大 增大 增大 增大 增大

.

0

增大 不变 减小 减小 减小 减小

$

)

增大 减小 减小 增大 减小 减小

二阶近似下#二极管上的压降为?GUN

"若电源电压存在一个微小的增量#二极管上

的压降仍为?GUN

#则意味着负载电压必然增大"若负载电压增大#则负载电流也增大"

而负载电流的增大又意味着二极管功率以及负载功率的增大"由于电路总功率是二极管功

率与负载功率之和#因此总功率必然增大"

表@%<

的第一行总结了电源电压的微小增量对电路的影响$可以看到!所有的相关变

量都增大了$图@%;A

中的负载电阻存在微

小增量时!将会产生什么影响( 由于在二阶

近似下二极管上的电压不变!负载电压也不

会改变!但是负载电流将会减小$那么二极

管功率'负载功率及总功率都会减小$对该

情况的总结见表@%<

的第二行$

最后!考虑阈值电压的影响$如果图@%;A

中二极管的阈值电压存在微小增量!那么除

二极管功率之外!所有的相关变量都会减小!如表@%<

第三行所示$

那么!对于图@%<A

%本章末&!如何用参量增减方法进行分析(

对电路的参量增减分析可以采用这样的方法进行练习"首先选定一个独立变量 %

$

'

!

.

;

!

.

<

!

.

@

或$

)

&!再选择任意相对变量 %

$

5

!

$

6

!

$

!

!

/

;

等&!然后指出这个相对变

量是增大'减小还是不变$

例如!阈值电压增大如何影响流过.

@

的电流( 在图@%<A

中!二极管与;??M

!

电阻的

串联的电路是由一个准理想分压器驱动!因此阈值电压的微小增加会导致加在;??M

!

电

阻两端的电压减小!由欧姆定律可知/

@

也是减小的$

需要注意的是"不要用计算器来进行电路参量增减分析!因为用计算器达不到这种思

维方式的训练目的$电路参量增减分析有点类似于故障诊断!其重点在于逻辑分析而不是

解方程$参数增减分析的目的是将思维过程与电路行为联系起来!并迫使你去思考电路中

不同部分之间的相互作用$

$")

!

阅读数据手册

器件数据手册或说明书中会列出半导体器件的重要参数和工作特性!同时也包含封装

规格'引线引脚'测试流程及典型应用等基本信息$半导体生产厂家通常会在数据手册或

厂家网站上提供这些信息$还有一些公司专门从事半导体产品的比较分析!也可以从他们

的网站中了解相关信息$

生产厂家的数据手册中有很多信息不易读懂!只适用于专业电路设计人员$基于这个

原因!这里仅讨论数据手册中与本书所描述的定量参数相关的项$

知识拓展!

因特网搜索引擎#例如F""

9

#'

#可以帮助你快速获取半导体器件的说

明书"

$")"!

!

反向击穿电压

首先看看;6C??;

的数据手册!

;6C??;

是一个用于电源的整流二极管 %将交流电压

转变为直流电压&!图@%;B

所示是;6C??;

$

;6C??U

系列二极管的器件参数!这七种二极

管具有相同的正向特性和不同的反向特性$对于该系列中的;6C??;

!我们感兴趣的是

)最大额定绝对值*下的第一项"

C=

第@

章!

二极管原理

符号!.%,,!

可重复反向峰值电压$

..&

A?N

该二极管的反向击穿电压是A?N

$击穿发生在二极管雪崩时!耗尽层中突然出现大量

载流子$对于整流二极管!这种击穿常常是破坏性的$

对;6C??;

来说!

A?N

的反向电压表明这是一个设计者应使电路在任何工作条件下都避

免达到的具有破坏性的电压边界值$因此设计者必须要考虑安全系数$安全系数的设定取决

于多种因素!没有绝对的规则$保守设计的安全系数可以采用<

!这意味着绝不允许加在

;6C??;

上的反向电压超过<AN

$而不太保守的设计可能允许加载C?N

的反向电压$

在其他数据手册中!反向击穿电压可能被表示为@/$

'

@.$

或6$

$

$")"#

!

最大正向电流

另一个感兴趣的参数是平均正向整流电流!在器件数据手册上显示如下"

符号 数值

平均正向整流电流(

2

5

SUA] a

I

%

DN

&

;D

这一项说明;6C??;

用于整流时能够承受的最大正向电流是;D

$在下一章里将学习更

多关于平均正向整流电流的知识!不过这里需要知道的是"

;D

就是导致二极管功耗过大

而烧毁的正向电流边界值$在其他数据手册中!这个平均电流可能会被表示成/

4

$

同样地!设计者将;D

视为;6C??;

的最大额定绝对值!一个不允许接近的正向电流

边界值$这就是需要考虑安全系数的原因$例如安全系数取<

!意思是一个可靠性设计应

该确保在任何工作条件下二极管的正向电流值都小于?GAD

$器件失效研究表明越接近最

大额定值!器件的寿命越短$这使得某些设计的安全系数高达;?V;

!这种保守的设计将

确保;6C??;

的最大正向电流为?G;D

或更小$

$")"$

!

正向压降

在图@%;B

中!)电特性*下的第一项列出了如下数据"

特性参数和工作条件 符号 最大值

正向压降 %

A

>

S;G?D

!

2

5

S<A]

&

$

>

;G;N

正如图@%;B8

中标题为 )正向特性*的图所示!在电流为;D

且结区温度为<A]

时!

;6C??;

的正向压降的典型值为?G=@N

$但是如果测试数千个;6C??;

!会发现在电流为

;D

时有个别管子的正向压降会高达;G;N

$

$")"%

!

最大反向电流

数据手册中值得讨论的另一项内容是"

特性参数和工作条件 符号 典型值 最大值

反向电流/

.

, ,

2

5

S<A]

,

?G?A

"

D

AG?

"

D

#

!

2

5

S;??]

,

;G?

"

D

A??

"

D

%

%

A?

电子电路原理

#

%

!

!

原文为 )

;?0D

*!有误!与图@%;B

及文中描述不对应$,,,译者注

%

!

原文为 )

A?0D

*!有误!与图@%;B

及文中描述不对应$,,,译者注

图@%;B

!

二极管;6C??;%;6C??U

的数据手册

A;

第@

章!

二极管原理

图@%;B

!

%续&

这就是在最大反向额定电压 %对;6C??;

来说是A?N

&下的电流值!该反向电流包含

了热激发产生的饱和电流以及表面漏电流$

<A]

时!

;6C??;

的最大反向电流典型值是

AG?

"

D

$但请注意!在;??]

时它增大到A??

"

D

$从这些数据中可以发现温度的重要性$

对于;6C??;

来说!如果要求最大反向电流低于AG?

"

D

!那么它在<A]

下可以良好工作!

但在结区温度达到;??]

时!大部分产品都将出现异常$

$"*

!

计算体电阻

精确分析二极管电路时!就需要知道二极管的体电阻$生产厂家通常不会把体电阻在

数据手册中单独列出!但是会提供足够的信息来计算它$计算体电阻的公式如下"

.

6

"

$

<

?

$

;

/

<

?

/

;

%

@%U

&

$

;

和/

;

是二极管特性曲线上阈值电压或阈值电压以上某个点的电压和电流!

$

<

和/

<

是

曲线上相对于第一个点更高处某个点的电压和电流$

例如!

;6C??;

的数据手册中给出了电流为;D

时的正偏电压?G=@N

$由于是硅二极

管!它的阈值电压约为?GUN

!电流约为?

$因此!需要的数据为$

<

S?G=@N

!

/

<

S;D

!

A<

电子电路原理

$

;

S?GUN

!

/

;

S?

$将这些值代入公式!可得体电阻如下"

.

6

"

$

<

?

$

;

/

<

?

/

;

"

?G=@N

[

?GUN

;D

[

?D

S

?G<@N

;D

S

?G<@

!

二极管特性曲线是电流与电压的关系曲线$体电阻等于阈值电压以上曲线斜率的倒

数!曲线斜率越大!体电阻越小$或者说!二极管特性曲线在阈值电压以上的部分越陡!

体电阻的值就越小$

$"+

!

二极管的直流电阻

将二极管总电压除以其总电流!可以得到二极管的直流电阻$正向时!直流电阻记为

.

>

#反向时!直流电阻记为.

.

$

$"+"!

!

正向电阻

由于二极管是非线性器件!因此当流过它的电流不同时!它的直流电阻也不同$这里

列出了;6=;C

的几对正向电流电压值"

;?3D%?GBAN

!

@?3D%?GUAN

!以及A?3D%?GLAN

$

在第一个点!直流电阻为"

.

>

"

?GBAN

;?3D

S

BA

!

在第二个点"

.

>

"

?GUAN

@?3D

S

<A

!

在第三个点"

.

>

"

?GLAN

A?3D

S

;U

!

直流电阻随电流的增大而减小!且正向电阻都是小于反向电阻的$

$"+"#

!

反向电阻

这里也列出;6=;C

的两组反向电流电压"

<A+D%<?N

#

A

"

D%UAN

$在第一个点!直流

电阻为"

.

.

"

<?N

<A+D

S

L??J

!

第二个点!直流电阻为"

.

.

"

UAN

A

"

D

S

;AJ

!

在接近击穿电压 %

UAN

&时!直流电阻变小了$

$"+"$

!

直流电阻和体电阻

二极管的直流电阻不同于体电阻!它是体电阻和势垒电压综合作用后的结果$也可以

说!直流电阻是二极管的总电阻!而体电阻只是:

区和;

区的电阻$因此!二极管的直流

电阻总是大于体电阻$

$"!,

!

负载线

本节讨论负载线!它是用于精确查找二极管工作点电流与电压值的工具$负载线对于

A@

第@

章!

二极管原理

晶体管来说非常有用!后续有关晶体管的讨论中将会给出详尽的解释$

$"!,"!

!

负载线方程

对图@%;U/

中二极管的电流与电压值进行精确求解$流过电阻的电流为"

/

9

"

$

'

?

$

9

.

'

%

@%L

&

因为是串联电路!这也是流过二极管的电流$

若电源电压是<N

!电阻是;??

!

!如图@%;U8

所示$则式 %

@%L

&变为"

/

9

"

<

?

$

9

;??

%

@%=

&

方程 %

@%=

&表明电压与电流之间是线性关系$如果画出方程所对应的曲线!将得到一条

直线$若设$

9

为零!则有"

/

9

"

<N

[

?N

;??

!

"

<?3D

在图@%;L

中的纵轴上画出该点 %

/

9

S<?3D

!

$

9

S?

&!称之为饱和点!因为它代表了电源

电压为<N

时流过;??

!

电阻的最大电流$

图@%;U

!

负载线分析!!!!

图@%;L

!

#

点是二极管特性曲线与负载线的交点

再来求另外一个点$设$

9

为<N

$则式 %

@%=

&变成"

/

9

"

<N

[

<N

;??

!

"

?

若画出该点 %

/

9

S?

!

$

9

S<N

&!它将落在横轴上 %见图@%;L

&$因为它代表了最小电流!

因此称之为截止点$

将电压设定成其他值!可以求得并画出更多的点$因为式 %

@%=

&是线性的!因此所

有的点都会落在图@%;L

所示的直线上!该直线称为负载线$

$"!,"#

!

-

点

图@%;L

所示是负载线和二极管的特性曲线$它们的交点即#

点!就是二极管特性曲

线和负载线所代表的方程组的解$或者说!

#

点是图中唯一同时适合二极管与电路工作状

态的点$从#

点的坐标可以得到二极管上的电流为;<GA3D

!电压为?GUAN

$

AC

电子电路原理

这里#

点并不是线圈的品质因数$在当前讨论中!

#

是b

0*'&!'+,

的缩写!表示 )静

态*的意思$在后续章节中还将讨论半导体电路的静态工作点或#

点$

$"!!

!

表面贴装二极管

在实际应用中!表面贴装二极管十分常见$表面贴装二极管的体积小'效率高!而且易于

测量'移除和替换$尽管表面贴装规格有很多种!但在工业上最为常用的有两种"

QJ

%表面贴

装&以及Q_:

%小外形晶体管&$

QJ

封装有两个X

形内弯的引脚!封装体末端有彩条的一侧标示的是负引出端$图@%;=

所

示为QJ

封装的三视图$其长和宽的大小与器件的额定电流有关!表面积越大!额定电流就越

大$因此额定电流为;D

的QJ

封装二极管的表面积是?G;L;c>?G;;Ac

!额定电流为@D

的二极

管可能是?G<B?c>?G<@Bc

$无论额定电流是多少!封装的厚度大约都是?G;?@c

$

!

图@%;=

!

用于QJ

二极管的二端封装规格

增加QJ

封装二极管的表面积就增

强了它的散热能力$而增加封装引脚的

宽度!实际上也就增强了由焊点'贴装

部分及电路板本身所组成的散热系统的

导热能力$

Q_:%<@

封装有@

个鸥翼型引脚

%见图@%<?

&$从其顶部往下看!引脚的

标号按逆时针顺序!其中@

号引脚单独

在一侧$不过二极管的正极和负极引脚

并没有标准的标记方法$为了确定二极

管的内部连接!可以查看印刷在电路板

上的指示说明'原理图!或者翻阅厂家

!

图@%<?

!

Q_:%<@

是常用于QJ

二极管的三端晶体管封装

提供的说明书$有些Q_:

型封装包含

两个二极管!它们共用一个正极引脚或

一个负极引脚$

Q_:%<@

封装的二极管尺寸小!长'

宽'高都不超过?G;c

$如此小的尺寸难以

散热!因此这些二极管的额定电流都被限

定在;D

以下$小尺寸还造成了识别码标

示困难!与很多小型的表面贴装器件一

样!必须通过电路板或原理图上的其他线

索来识别其引脚$

总结$"!

节!

二极管是非线性器件$二极管伏安特性

曲线开始上扬的地方对应的电压为阈值电压!

硅二极管的阈值电压大约为?GUN

$体电阻是

:

区和;

区的欧姆电阻$二极管具有最大正向

电流以及额定功率的限定$

$"#

节!

理想二极管是二极管的一阶近似!等效

电路是一个开关!正向偏置时开关闭合!反

向偏置时开关断开$

$"$

节!

在二阶近似下!硅二极管可看成开关与

?GUN

的阈值电压源的串联$如果二极管两端

的戴维南电压高于?GUN

!则开关闭合$

$"%

节!

在三阶近似下!二极管可看成一个开关与

阈值电压源以及体电阻的串联$由于体电阻很

小!通常可以忽略!所以这种近似很少使用$

AA

第@

章!

二极管原理

$"'

节!

如果怀疑某个二极管发生故障!可以将

它从电路中取出!并用欧姆表测量其两个方

向的电阻$应该测得一个方向为高阻而另一

个方向为低阻!两者的比例至少是;???V;

$

在测量二极管电阻时切记要使用足够高的电

阻量程!以避免可能对它造成的损坏$数字

万用表在二极管正向偏置时的示数应该在

?GA

$

?GUN

之间#反向偏置时!应显示溢出$

$"(

节!

参量增减分析方法不需要计算!需要判

断的只是增大'减小或是不变$当可以预测

相关变量如何随独立变量的增加而变化时!

在进行故障诊断'电路分析和电路设计时就

会更有把握$

$")

节!

器件数据手册对于电路设计者来说十分

有用!维修技师在更换器件时也需要用到它$

不同厂家提供的二极管数据手册包含的信息

类似!只是描述各种工作状态的符号可能会

有所不同$二极管数据手册可能会列出如下

信息"击穿电压 %

N

`

'

N

`̀ J

'

N

`EJ

'

RaN

'

R̀ N

'

PN

&!最大正向电流 %

a

I

%

3/4

&

'

a

I

%

/.

&

'

a

?

&!正向压降 %

N

I

%

3/4

&

'

N

I

&!以及最大反向

电流 %

/

`

%

3/4

&

'

/

`̀ J

&$

$"*

节!

计算体电阻需要知道二极管三阶近似中

正向区域的两个点$一个点可以取 %

?GUN

!

?D

&!另一个点可以取数据手册上正向电流较

大且可同时读出电压和电流值的某个点$

$"+

节!

二极管的直流电阻等于电压与电流的比!

即欧姆表的测量值$二极管的直流电阻除了

表明该阻值正向很小'反向很大以外!没有

其他的作用$

$"!,

节!

二极管电路的电流和电压值必须同时满

足二极管特性曲线和负载电阻上的欧姆定

律$可以通过画图找到满足这两个独立要求

的点!即二极管特性曲线和负载线的交点$

$"!!

节!

现代电子电路板上常使用表面贴装二极

管$这些二极管体积小!效率高!其规格一

般是QJ

%表面贴装&或Q_:

%小外形晶体

管&封装形式$

定义

#

$&!

$

!

硅二极管的阈值电压 #

$&#

$

!

体电阻

推论

#

$&$

$

!

二极管功率

#

$&%

$

!

最大功率

#

$&'

$

!

三阶近似

#

$&(

$

!

忽略体电阻

#

$&)

$

!

体电阻

选择题

;G

若某器件的电流 电压关系曲线是一条直线!

则该器件是

/G

有源的!!!!!!

8G

线性的

!G

非线性的$G

无源的

<G

电阻是哪种类型的器件(

/G

单向的8G

线性的

!G

非线性的$G

双极的

@G

二极管是哪种类型的器件(

/G

双向的8G

线性的

!G

非线性的$G

单极的

CG

若二极管不导通!其偏置状态为

/G

正向偏置8G

倒置的

!G

弱偏置$G

反向偏置

AG

若二极管电流很大!其偏置状态为

/G

正向偏置8G

倒置的

!G

弱偏置$G

反向偏置

BG

二极管的阈值电压近似等于

/G

外加电压8G

势垒电压

!G

击穿电压$G

正向电压

UG

反向电流包括少子电流和

AB

电子电路原理

/G

雪崩电流8G

正向电流

!G

表面漏电流$G

齐纳电流

LG

二阶近似下!正向偏置的硅二极管两端电压是

多少(

/G? 8G?G@N

!G?GUN $G;N

=G

二阶近似下!反向偏置的硅二极管电流是

多少(

/G? 8G;3D

!G@??3D $G

以上都不是

;?G

理想二极管的正向电压是多少(

/G? 8G?GUN

!G

大于?GUN $G;N

;;G;6C??;

的体电阻是多少(

/G? 8G?G<@

!

!G;?

!

$G;M

!

;<G

若体电阻为零!则二极管特性在阈值电压之

后的曲线是

/G

水平线8G

竖直线

!GCAd

斜线$G

以上都不是

;@G

理想二极管常用于

/G

故障诊断8G

精确计算

!G

电源电压很低时$G

负载电阻很小时

;CG

二阶近似适用于

/G

故障诊断8G

负载电阻很大时

!G

电源电压很高时$G

上述所有情况

;AG

三阶近似仅在下列情况使用

/G

负载电阻很小8G

电源电压很高

!G

故障诊断$G

以上都不是

;BG

对于图@%<;

中的电路!用理想二

极管分析!负载电流是多少(

/G? 8G;;G@3D

!G;<3D $G<A3D

图!

@%<;

;UG

对于图@%<;

中的电路!用二阶近

似分析负载电流是多少(

/G? 8G;;G@3D

!G;<3D $G<A3D

;LG

对于图@%<;

中的电路!用三阶近

似分析负载电流是多少(

/G? 8G;;G@3D

!G;<3D $G<A3D

;=G

若图@%<;

中二极管开路!则负载

电压为

/G? 8G;;G@N

!G<?N $G[;AN

<?G

若图@%<;

中的电阻未接地!则用

数字万用表测得电阻上端与地之间的电压接

近于

/G? 8G;<N

!G<?N $G[;AN

<;G

若测得图@%<;

中的负载电压是

;<N

!则故障可能是

/G

二极管短路8G

二极管开路

!G

电阻开路$G

电源电压过大

<<G

采用三阶近似分析图@%<;

中的电路!负载电

阻低于多少时必须要考虑体电阻(

/G;

!

8G<@

!

!G;?

!

$G;??

!

习题$"!

节

@%;

!

二极管与<<?

!

的电阻串联!若电阻上的电

压为BN

!则流过二极管的电流是多少(

@%<

!

二极管上电压为?GUN

!电流为;??3D

!则

二极管的功率是多少(

@%@

!

两个二极管串联!第一个二极管上电压是

?GUAN

!第二个二极管上电压是?GLN

$若流

过第一个二极管的电流是C??3D

!则流过第

二个二极管的电流是多少(

$"#

节

@%C

!

计算图@%<</

中电路的负载电流'负载电压'

负载功率'二极管功率及总功率$

@%A

!

若图@%<</

中的电阻变为原来的两倍!则负

载电流是多少(

图!

@%<<

@%B

!

计算图@%<<8

中电路的负载电流'负载电压'

负载功率'二极管功率及总功率$

@%U

!

若图@%<<8

中的电阻变为原来的两倍!则负

载电流是多少(

AU

第@

章!

二极管原理

@%L

!

若转换图@%<<8

中二极管的极性!则二极管

电流是多少( 二极管上电压是多少(

$"$

节

@%=

!

计算图@%<</

中电路的负载电流'负载电压'

负载功率'二极管功率及总功率$

@%;?

!

若图@%<</

中的电阻变为原来的两倍!则负

载电流是多少(

@%;;

!

计算图@%<<8

中电路的负载电流'负载电

压'负载功率'二极管功率及总功率$

@%;<

!

若图@%<<8

中的电阻变为原来的两倍!则负

载电流是多少(

@%;@

!

若转换图@%<<8

中二极管的极性!则二极管

电流是多少( 二极管上电压是多少(

$"%

节

@%;C

!

计算图@%<</

中电路的负载电流'负载电

压'负载功率'二极管功率及总功率$%

.

6

S?G<@

!

&

@%;A

!

若图@%<</

中的电阻变为原来的两倍!则负

载电流是多少( %

.

6

S?G<@

!

&

@%;B

!

计算图@%<<8

中电路的负载电流'负载电

压'负载功 率'二 极 管 功 率 及 总 功 率$

%

.

6

S?G<@

!

&

@%;U

!

若图@%<<8

中的电阻变为原来的两倍!则负

载电流是多少( %

.

6

S?G<@

!

&

@%;L

!

若转换图@%<<8

中二极管的极性!则二极管

电流是多少( 二极管上电压是多少(

$"'

节

@%;=

!

若图@%<@/

中二极管上电压是AN

!则二极

管是开路还是短路(

图!

@%<@

@%<?

!

某种原因使图@%<@/

中电阻.

短路!则二极管

上电压是多少( 二极管将会发生什么情况(

@%<;

!

测得图@%<@/

中二极管上电压是?N

$然后

检测电源对地电压!读数是AN

$请问电路

出了什么问题(

@%<<

!

测得图@%<@8

中电阻.

;

与.

<

之间的节点

电位为@N

%电位总是对地而言的&$然后

测得AM

!

电阻和二极管之间节点电位为

?N

$列出可能的故障情况$

@%<@

!

用数字万用表对二极管进行正向测量和反

向测量!得到的读数分别是?GUN

和;GLN

$

二极管是否正常(

$")

节

@%<C

!

如果需要承受@??N

的可重复反向峰值电

压!应选择;6C???

系列中的哪个二极管(

@%<A

!

数据手册中!二极管的一端有一条状标记!

这个标记的名称是什么( 原理图中的二极

管箭头指向这个标记还是背离这个标记(

@%<B

!

沸水的温度是;??]

$如果将二极管;6C??;

投入沸水中!它会不会被损坏( 试分析原因$

思考题

@%<U

!

这里列出了一些二极管及它们的最坏情况

参数"

二极管)

.

)

$

;6=;C ;?3D%;N <A+D%<?N

;6C??; ;D%;G;N ;?

"

D%A?N

;6;;LA ;?D%?G=AN CGB3D%;??N

计算每个二极管的正向电阻和反向

电阻$

@%<L

!

图@%<@/

中!若要使二极管电流为<?3D

!

则电阻.

的值应为多少(

@%<=

!

图@%<@8

中!若要使二极管电流为?G<A3D

!

.

<

的值应为多少(

@%@?

!

某硅二极管在正向电压为;N

时的电流为

A??3D

!采用三阶近似来计算它的体电阻$

@%@;

!

已知某二极管在<A]

时的反向电流是A

"

D

!

在;??]

时的反向电流是;??

"

D

!求它的表

面漏电流$

@%@<

!

将图@%<@8

中的电源关闭!电阻.

;

的上端接

地$用欧姆表来测量二极管的正向电阻和反

向电阻!两个读数都是一样的$请问欧姆表

的读数是多少(

@%@@

!

自动防盗报警系统和计算机系统都使用了

备份 电 池 以 防 止 主 电 源 失 效$试 描 述

图@%<C

中电路的工作原理$

图!

@%<C

AL

电子电路原理

电路参量增减分析

以下问题均针对图@%<A

所示电路$假设电路中

的独立变量增大约;?W

!二极管采用二阶近似$

相关变量

!

"

!

#

!

/

)

!

)

#

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*

#

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独

立

变

量

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.

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.

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图@%<A

!

电路参量增减分析

对于每个独立变量的增加!确定各相关变量是

增大'减小还是不变$可参照@GB

节来复习这个

过程$

@%@C

!

预测$

'

所在行各相关变量的变化$尽可能

简单直接地回答"电源电压增大会对电路

中各相关变量造成什么影响(

@%@A

!

预测.

;

所在行各相关变量的变化$用一两

句话总结你的发现$

@%@B

!

预测.

<

所在行各相关变量的变化$列出那

些减小的相关变量!然后用欧姆定理等基

本原理解释它们减小的原因$

@%@U

!

预测.

@

所在行各相关变量的变化$列出没

有变化的相关变量!解释它们没有发生变

化的原因$

@%@L

!

预测$

)

所在行各相关变量的变化$列出那

些减小的变量!解释它们减小的原因$

求职面试问题

对于下列问题!只要有可能就画出电路'曲

线或图表!这样能帮助你更好地阐述答案$如果

能在表述中结合图形和文字!说明你对所讨论的

问题十分清楚$另外!当你一个人的时候!不妨

想象你正在进行面试!要大声回答!这可以使你

在以后真正的面试中应对自如$

;G

你知道理想二极管吗( 说明它的定义及使用条件$

<G

二极管有一种近似是二阶近似!说出它的等效

电路以及硅二极管导通的条件$

@G

画出二极管的特性曲线!并解释它的各个区域$

CG

有一个实验电路!每次换上一个新的二极管!

它都会烧毁$如果有该二极管的数据手册!需

要检查哪些参量(

AG

用最基本的术语描述二极管在正偏和反偏情况

下的电学性质$

BG

锗二极管和硅二极管阈值电压的典型值有什么

不同(

UG

用什么方法可以在不拆除电路的情况下!确定

流过二极管的电流(

LG

如果怀疑电路板上有一个二极管损坏了!应该

采取哪些步骤来确定(

=G

对于一个可用的二极管!它的反向电阻应该是

正向电阻的多少倍(

;?G

在游艺车电池电路中!如何加入一个二极管!使

其既能防止备份电池漏电!又能从交流发电机

充电(

;;G

什么设备可以用来测量电路中或电路外的二

极管(

;<G

详尽描述二极管的工作原理!包括多数载流子

和少数载流子的情况$

选择题答案

;G8

!

<G8

!

@G!

!

CG$

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AG/

!

BG8

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UG!

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LG!

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;AG/

;BG! ;UG8 ;LG8 ;=G/ <?G8 <;G/ <<G!

自测题答案

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!

9

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反向偏置#

9

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正向偏置$

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9

S@@A3E

A=

第@

章!

二极管原理