二極管原理及特性-二極管不同分類與整流電路詳細解析

二極管的基本概述

二極管由管芯、管殼和兩個電極構成。管芯就是一個PN結，在PN結的兩端各引出一個引線，并用塑料、玻璃或金屬材料作為封裝外殼，就構成了晶體二極管，如下圖所示。P區的引出的電極稱為正極或陽極，N區的引出的電極稱為負極或陰極。

二極管原理

二極管工作原理（正向導電，反向不導電）

晶體二極管是一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成了空間電荷層，并且建有自建電場，當不存在外加電壓時，因為p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。 當產生正向電壓偏置時，外界電場與自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流（也就是導電的原因）。 當產生反向電壓偏置時，外界電場與自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍中與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0（這也就是不導電的原因）。

當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。

二極管的特性

（1）二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指加在二極管兩端電壓和流過二極管的電流之間的關系，用于定性描述這兩者關系的曲線稱為伏安特性曲線。通過晶體管圖示儀觀察到硅二極管的伏安特性如下圖所示。

（2）二極管的正向性

外加正向電壓時，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結內電場的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區。這個不能使二極管導通的正向電壓稱為死區電壓。當正向電壓大于死區電壓以后，PN結內電場被克服，二極管正向導通，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內，導通時二極管的端電壓幾乎維持不變，這個電壓稱為二極管的正向電壓。

（3）二極管的反向性

外加反向電壓不超過一定范圍時，通過二極管的電流是少數載流子漂移運動所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止狀態。這個反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流，二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。

（3）二極管的擊穿

外加反向電壓超過某一數值時，反向電流會突然增大，這種現象稱為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱為二極管反向擊穿電壓。電擊穿時二極管失去單向導電性。如果二極管沒有因電擊穿而引起過熱，則單向導電性不一定會被永久破壞，在撤除外加電壓后，其性能仍可恢復，否則二極管就損壞了。因而使用時應避免二極管外加的反向電壓過高。

二極管是一種具有單向導電的二端器件，有電子二極管和晶體二極管之分，電子二極管現已很少見到，比較常見和常用的多是晶體二極管。二極管的單向導電特性，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導體器件之一，其應用也非常廣泛。

二極管的管壓降：硅二極管（不發光類型）正向管壓降0.7V，鍺管正向管壓降為0.3V，發光二極管正向管壓降會隨不同發光顏色而不同。主要有三種顏色，具體壓降參考值如下：紅色發光二極管的壓降為2.0--2.2V，黃色發光二極管的壓降為1.8—2.0V，綠色發光二極管的壓降為3.0—3.2V，正常發光時的額定電流約為20mA。

二極管的電壓與電流不是線性關系，所以在將不同的二極管并聯的時候要接相適應的電阻。

二極管的分類

（1）二極管按照所用的半導體材料：

鍺二極管（Ge管）

硅二極管（Si管）

（2）根據其不同用途：

檢波二極管

整流二極管

穩壓二極管

開關二極管

隔離二極管

肖特基二極管

發光二極管

硅功率開關二極管

旋轉二極管等

（3）按照管芯結構：

點接觸型二極管

面接觸型二極管

平面型二極管

二極管-整流電路解析
（1）單向半波整流電路

二極管就像一個自動開關，u2為正半周時，自動把電源與負載接通，u2為負半周時，自動將電源與負載切斷。因此，由下圖可見，負載上得到方向不變、大小變化的脈動直流電壓uo如下圖所示。由于該電路只在u2的正半周有輸出，所以稱為半波整流電路。如果將整流二極管的極性對調，可獲得負極性的直流脈動電壓。

（2）全波整流電路

整流原理：

設變壓器二次側的電壓為：

1)當u2為正半周時，A點電位最高，V點電位最低，二極管V1和V3導通，V2和V4截止，電流的通路是 A→V1→RL→V3→B。

2)當u2為負半周時，B點電位最高，A點電位最低，二極管V2和V4導通，V1和V3截止，電流的通路是 B→V2→RL→V4→A。

可見，在u2變化的一個周期內，負載RL上始終流過自上而下的電流，其電壓和電流的波形為一全波脈動直流電壓和電流，如下圖所示。

（3）濾波電路

整流電路將交流電變為脈動直流電，但其中含有大量的交流成分(稱為紋波電壓)。為此需要將脈動直流中的交流成分濾除掉，這一過程稱為濾波。

（4）電容濾波

電容濾波的特點為：

1)輸出電壓平均值的大小與濾波電容C及負載電阻RL的大小有關，C的容量或RL的阻值越大，其放電速度越慢，輸出電壓也越大，濾波效果越好。

2)在采用大容量濾波電容時，接通電源的瞬間充電電流特別大。電容濾波器結構簡單，負載直流電壓UL較高，紋波也較小，但是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。

參數選擇：

1) 輸出電壓：UL=U2(半波) UL=1.2*U2(全波或橋式)

2) 電容的選擇：C>=(0.03~0.05)/RL

3) 二極管的選擇：Urm=1.41*U2

（5）電感濾波

電感濾波器特點：由于自感電動勢的作用使二極管的導通角比電容濾波電路時增大，流過二極管的峰值電流減小，外特性較好，帶負載能力較強。電感濾波電路主要用于電容濾波器難以勝任的大電流負載或負載經常變化的場合，在小功率電子設備中很少使用。

對直流分量: XL=0 相當于短路,電壓大部分降在RL上。

對諧波分量: f 越高，XL 越大,電壓大部分降在XL上。因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。

當忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為：UL=0.9U2

（6）穩壓二極管

當穩壓二極管工作在反向擊穿狀態下,當工作電流Iz在Izmax和 Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數。

幾種二極管整流電路原理圖解。

（1）二個二極管全波整流電路圖

用2個二極管全波整流電路如下圖：

（2）四個二極管全波整流電路圖

橋式整流電路的工作原理如下：E2為正半周時，對D1、D3加正向電壓，D1、D3導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構成E2、D1、Rfz 、D3通電回路，在Rfz 上形成上正下負的半波整流電壓，E2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。

電路中構成E2、D2、Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。如此重復下去，結果在Rfz 上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整流電路小一半。

橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導通，得到正的輸出；輸入正弦波的負半部分時，另兩只管導通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。 橋式整流器對輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。橋式整流是交流電轉換成直流電的第一個步驟。

（3）單相全波橋式整流器電路工作原理

由圖可看出，電路中采用四個二極管，互相接成橋式結構。利用二極管的電流導向作用，在交流輸入電壓U2的正半周內，二極管D1、D3導通，D2、D4截止，在負載RL上得到上正下負的輸出電壓；在負半周內，正好相反，D1、D3截止，D2、D4導通，流過負載RL的電流方向與正半周一致。

因此，利用變壓器的一個副邊繞組和四個二極管，使得在交流電源的正、負半周內，整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流。橋式整流的名稱只是說明電路連接方法是橋式的接法，橋式整流二極管：大家常用的一般是由4只單個二極管封裝在一起的元件，取名橋式整流二極管，整流橋或全橋二極管。

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