在电子电路中，二极管有很多的品种和用法。这节主要是介绍一些重要的品种和用法。

1、 普通二极管

    整流二极管用得很广，整流器件可以将交流电转换为直流电。由于二极管的单向导电性，故交流电只有一半周期可以通过二极管。一个二极管可以用在普通的充电器提供直流电（图8-27）。在与放电电流相反的直流电流流过时，蓄电电池就能够被充电。整流器的作用就是仅允许直流对电池充电。

在图8－27中，我们还注意到，二极管连接后使充电电流的方向与放电电流的方向正好相反。而且二极管的阴极必须和电池的正端相连，否则，将会使电池放电和损坏二极管。可见，二极管的正确连接相当的重要。

一个理想的整流器在受到反偏压时马上关断，但是PN结二极管是不可能马上就能关断的。在二极管处于导电状态时，在结附近有大量的电子和空穴存在，在反压条件下，必须耗费一定的时间将结附近的载流子清除和建立耗尽层，因此不可能立即将二极管关断。在低频整流时，比如50Hz，关断时间不会有什么影响。然而在高频电路整流时，它就是一个必须考虑的因素。

2、肖特基二极管

到现在为止，我们已经知道了两种不同型号半导体界面产生一个二极管。有一些金属和半导体的界面也有整流特征，这种类型界面称作势垒。肖特基二极管就是使用了一块N型硅晶片结合铂金而成的。半导体金属势垒使得二极管开或关，较PN结快得多。图8－28给出了肖特基二极管的符号。

在肖特基二极管处于正偏压条件下，N型阴极的电子必定获得能量穿过势垒到达金属阳极。有时使用“热载流子二极管”一词。一旦“热载流子”到达金属，它们与大量的自由电子混合，很快就释放它们的额外能量。在反偏压条件下，二极管马上就能停止导通，因为不是靠建立耗尽区来阻止电流的流动。由于电子已经失去了额外能量，以至于电子没有足够的能量越过势垒返回到阴极。但是，如果加上大于50V的反向电压，势垒就会因击穿而导通。因此势垒型器件不能用于高电压的电路。肖特基二极管只需要0.3V的正向电压就能够建立正向电流。它们比较适合应用于高频、低电压的场合。

3、稳压二极管

有一种齐纳二极管用于稳压，它的特性曲线和符号示于图8－29，它的符号除了在阴极用一个弯曲的线表示字母Z外，其他均与整流二极管相同。齐纳二极管的稳压范围从3.3-200V。例如1N4733就是一个常用的5.1V稳压齐纳二极管。

齐纳二极管和整流二极管的不同点在于它们在电子电路中的不同应用。只要使用在正常的范围内，它的电压降等于它的额定电压加或减一个小的误差电压。与整流二极管相比，它工作在反向电压。整流二极管的正常工作电子流是从阴极到阳极。而齐纳二极管的工作在反向导通，且电子流是从阳极到阴极。

齐纳二极管电流变化只会引起电压的小的改变。图8-30很清楚的表明了这一点。在正常的工作范围内，齐纳二极管的电压相当稳定。

图8-30（b）表明怎样用齐纳二极管稳压。一个限流电阻用于防止齐纳二极管由于通过太大电流而发热。而稳定的输出就是二极管自身两端的电压值。注意，导通时电子从阳极到阴极。齐纳稳压电路将在下一章中作详细的介绍。

4、二极管应用电路

二极管还可用于削波或限幅。图8－31，二极管D1限制输入的信号电压在-0.6V, D2限制输入的信号电压在0.6V，在输入信号很小时它不受二极管影响。二极管在关断时有很高的电阻，但是，若信号过大就会使得二极管导通。此时，额外的信号电压就降在R 1上。因此，输出的电压峰-峰值就保持到1.2V。这种限幅的方法经常用于信号很大的情况下。例如，削波常用来阻止音频超过一定的声限。

图8－31显示，输入是一个正弦波，但是输出更接近方波。有时候，削波也用于改变波形。削波的第三种作用是为滤掉信号上的噪声脉冲，若噪声脉冲超过了限幅点，它们就会被消波或是受到限制，最终的信号的噪声比原来信号的噪声就要低得多。

图8－31中，二极管D2削去了正半波。在信号电压从零开始增加的过程中，起初没有什么变化，直到信号电压达到0.6V，D2导通了，它的电阻比R 1的阻值要小得多，电阻R 1上的电压降就要远大于0.6V。在后半周，随着电压达到-0.6V，D1就导通，D1导通后，R 1上的电压降要远大于-0.6V，整个信号的限幅就在0.6V和-0.6V之间，或者说峰-峰值是1.2V。在箝位电路中若使用锗管，由于它的导通电压是0.2V，峰-峰值就只有0.4V。

通过将二级管串联，限幅点可以变到更高的电压值。如图8－32中，就需要有0.6V+0.6V，或是1.2V使D3和D 4导通。注意，现在的值就是1.2V，同样的D1和D2也必须有-1.2V才能够导通，故输出电压的峰－峰值就限制在2.4V，通过使用齐纳二极管，如图8－33，可以得到更高的箝位点。我们假定D2、D4为稳压4.7V的齐纳二极管，由于要导通D4需要4.7V的电压，而导通D3需要0.6V的电压，那么正电压的限幅值就是+5.3V，同样，D1、D2就使得负的限幅值为-5.3V。图8－33的输出信号的峰-峰值就是10.6V。

齐纳二极管处于正偏压时，它的管压降比整流管的要大一些（约0.7V），因此，图8－33可以简化为图8－34，用两个齐纳二极管背对背的接法来实现。电子流方向向上时，下面的齐纳二极管管压降为0.7V，上面的达到额定稳压值。在电子流方向向下时，上面的齐纳二极管管压降为0.7V，下面的达到稳压值。譬如，若我们用到两个1N4733，输出电压的限幅值就是5.1V +0.7V=5.8V，电压的峰-峰值就是11.6V。

二极管还可以用作箝位或直流恢复器，如图8－35，信号源产生交流信号，图中表明，电阻R的输出信号并不是原来的交变电流，它的均值并不是0V，而是正电压值。这种信号在电子电路中是常见的既有交流成分，也有直流成分，那么直流成分是来自哪儿呢？其实，直流成分是由二极管通过对电容的充电产生的，我们注意到，在图8－35中有二极管允许充电电流流过电容C的左边，电流使得额外的电子积聚到电容左边，产生一个负的电荷。右边的电子流出，使得右端为正。如果电容的放电时间（τ＝R×C）比信号的周期要长，电容就会一周又一周保持一个稳定的电压。

例8-6

若电容为1μF，电阻值为10 kΩ和信号源的频率为1kHZ。估算图8－35的放电时间。

RC的时间常数用以下公式求：

τ=R×C=10×103Ω×1×10-6F=0.01s

求得信号的周期为：

T= = =0.001s

我们可以得到放电时间常数大约是信号周期T的10倍。

图8-36是图8－35的等效电路，它通过用直流电流源代替电容串联到交流信号源来解释了箝位的过程，直图中流电压源Udc使正弦曲线的原点上移。

从图8－35可见，图中的输出信号有0.6V降到零轴以下，表示二极管导通时输出电压是-0.6V，每当二极管导通时向电容充电一次。

图8－37表明，如果二极管反接，充电电流反向，电容也将在它的右端产生一个负电压。图中表明，输出的信号有一个负的直流成分。这个电路称为“反向箝位”。

箝位有时候会在我们不需要时发生。譬如，一个信号发生器常用作电路测试源，有些信号发生器在输出端到输出插孔间有一个耦合电容。假如你将这样一个信号发生器接到一个不平衡的二极管负载上就会导致对耦合电容的充电，直流充电的结果是与交流信号串联到一起，而且改变了测试电路的工作方式。  必要时在地与信号源输出孔间接一个直流电压表或直流耦合示波器可以检测出是否发生了箝位。

图8-38表明了二极管怎样防止产生电弧和损坏元件。当线圈中电流突然中止，线圈中就会产生一个很大的反电动势，这个高电压能引起产生电弧，会破坏像集成电路和三极管这种电压敏感元件。在图8－38（a）中，当与继电器线圈串联的开关打开时，将会产生电弧。在图8－38（b）中，使用一个保护用的二极管并到线圈的两端，反电动势作为二极管的正偏压，二极管就能安全的对线圈进行放电，有效的抑制电弧的产生。

关于电子学：元件应用

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5、发光二极管及应用

还有一种重要的二极管，它就是发光二极管，也叫LED。图8－39（a）是它的图形符号，图8－39（b）表示LED的电子穿过结与空穴结合，这个过程改变了它的状态,从一个能级降到另一个低的能级，自由电子必然要释放过多的能量。硅二级管释放过多的能量变成热。而砷化镓二极管变成热和红外线光释放过多的能量。这种二极管称为“红外发光二极管”。红外线是人肉眼不可见的，通过不同材料掺杂到砷化镓就能够生产出红、绿、黄可见光。

激光二极管通过精确控制物理尺寸而产生光学共振，它也是一种LED或IRED。激光二极管有一个全反射端和一个部分反射端。如果二极管的电流合适，光就会在两端之间来回反射，并增加相位。部分反射端释放出单一的相位和频率的光。在讨论光时，一种相位就叫相干，一种频率就叫单色。这种共振处在一种频率下，这将会产生强大的单色光输出。 激光二极管常用于光纤通信，干涉仪，定位系统和扫描系统中。

较之硅二极管，LED和IRED有更高的正向电压降,   它在１.5-2.5V之间可变，主要取决于二极管的电流大小，二极管的品种和它的颜色。假如没有制造商提供的资料，通常２Ｖ是一个很好的起点。假定在图8-39（b）中，LED的电流给定为２０mＡ，电压给定为５Ｖ，我们用欧姆定律求限流电阻的大小。计算时应当将电源电压减去二极管的管压降，才能得到电阻两端的电压降：

 Ｒ＝＝＝１５０Ω

例8-７

汽车电路所用电源电压为12Ｖ，发光二极管需要电流为15mＡ，假定管压降是２Ｖ，试选择一个合适的限流电阻（阻值和额定功率）。

     Ｒ＝＝６６７Ω

限流电阻的功率也是一个很重要的量：

     Ｐ＝Ｉ２Ｒ＝（１５mＡ）２×667Ω=150mＷ　　　　　　　

为了更好的可靠性，电阻的额定功率通常是按加倍原则选择。300mW超过1／4W，因此可以选择1／2W。

图8－39（c）表示了两种外形的发光二极管。与其它的二极管一样，LED管也要按正确的极性安装。

通常，发光二极管牢固、小、寿命长。由于没有灯丝的逐渐加热或冷却，故没有热延迟产生，所以它们很容易被关断。它们自身是由专用的光催化剂做成的，能做成各种各样的形状。它们比一般的白炽灯要灵活得多，发光二极管可以被用于０－９的数字显示，图8-40是一种典型的七段码显示器，通过选择合适的段码，就能够得到希望显示的数字。

光二极管是对光很敏感的硅器件。它们通常工作在反偏压，当光子能量进入耗尽层，产生电子空穴对形成电流，因此，光二极管在没有光输入时有很高的反向电阻，在有光输入时，反向电阻就很小。图8-41是一个光电耦合电路，一个光耦合器由一个LED或IRED、一个光二极管或光电三极管组成。当Ｓ1开时，LED关断，没有光进入光二极管，光二极管的电阻和输出信号都是高，当Ｓ1闭合后，LED开启，有光进入光二级管，而且由于在Ｒ2上有电压降，光二极管的电阻和输出信号降到较低的值。光耦合器在电路中常用来隔离两个电路。也被称为“光电隔离”，在图8-41中用于联结输入电路和输出电路的就只有光。 因此在电气上是互相隔离的。

发光二极管和光二极管常用于为了进行数据传输的光纤电缆的联结。对比导线而言，光缆虽然很贵，但是它却有几点优势：

1. 消除了电和磁场的相互干扰。

2. 长线传输中的数据量大。

3. 数据安全性好。

4. 爆炸环境下仍然安全。

5. 更小更轻。

 

LED和激光二极管都能迅速的产生脉冲。，可以用于高速的数据传送。在光纤的另一端需要一个光检测器将光转变为电脉冲。光二极管可用于完成该工作，图8－42表明，二极管产生的光进入到光缆的一端，然后从另一端输出，在该端由光敏二极管检测到达的光。

图8－42 光缆

图8－42同时也显示了光缆的种类和结构。这些光缆都是光纤，工作都是完全依靠内部的光反射。当光射入到一个透明的表面，它就会产生反射光束和折射光束，若光线入射的角度小于临界角，所有的光线都会被反射。假如中心材料还覆盖有其他的折射率更小的材料，以小角度射向覆盖层的光线就实现全反射，大部分的光缆使用不同的石英玻璃材料做成线芯和覆盖层。

图8－42中的指数阶跃多模式光纤，它用了一个相对较大的线芯。因此，有一些光线的脉冲可能会直接以直线通过，而其它以弯弯曲曲的线路经过覆盖层。不同的射线到达探测二极管的时间取决于它不同路线的长度。输出的脉冲时间被展宽。仔细观察图8－42的输入与输出脉冲。你就能发现，在指数阶跃多模光纤中，脉冲的展宽不允许高速传输。高速脉冲的传递要求各个脉冲的时间间隔紧靠在一起，由于各个脉冲在间隔越来越紧密，在脉冲展宽后就不可能将它们分离成单个的脉冲。因此，多模光纤不能用于长距离、高速度的通讯中。

图8－42中还有一种梯度指数多模式光纤，这种光缆的输出脉冲展宽较少。在这里，折射率将逐渐从中心到覆盖层变小，光线传递的曲线更加弯弯曲曲，这主要是由于折射率在不断变化。曲线光线到达探测二极管的时间与直线光线到达二极管的时间几乎相同。这主要是由于直线光在线芯中心传输更慢。

图8－42中还有一种单模式的光纤，它是一种高速传输的光缆。注意到，光线仅以直线方式在窄线芯中传送。脉冲的展宽最小，因此可以用于高速数据传输。数据流在光纤中传输的速度的极限是每秒100亿位，在以后的几年中达到每秒1万亿位的速度。

光缆用于数据传输中用到的典型光信号的电平为100μW或更小，在这种条件下，人眼不会受到危害，但是其他的应用中，可能用到了更高的功率电平。若没有检验过功率电平是绝对安全，千万不要用眼去看光缆的内部。还要注意的是，有些系统用的是不可见光源，可能什么都看不到，但是却可以危害到你的眼睛。

6、变容二极管及应用

变容二极管是一种可替换可变电容的固态器件。大部分电子调谐都需要改变电容。可变电容通常体积大、易损坏、而且价格昂贵。 如果一个电容器要求通过前面的面板调节，就必须有一个金属轴和一个复杂的机械连接。这就导致了设计的麻烦。变容二极管是由电压控制的，不需要控制轴或机械连接，而且变容二极管体积小、坚固、便宜。在现代的电子设备中，它已经取代了可变电容器。

图8－43中能清楚的看到PN结对电容的影响。电容是由两个被介电材料或绝缘体隔离的导电极板构成，电容量取决于两个导体极板的面积和介质材料。加上反偏压的二极管有同样电结构，P型材料可以看成是一个电极板，N型材料可以看成是另外一个电极板，耗尽层就是绝缘材料或介电材料。通过调整反向的偏压、改变耗尽层的宽度，二极管的电容也就改变了。在一个很高的反偏压条件下，由于耗尽层变得很宽，导致二极管的电容量很小。通过移动可变电容的两个导电片，使得它们的距离增大，能够得到同样的效果。在反偏压很小时，耗尽层变得很窄，二极管电容量随之增大。

图8－44显示了变容调谐二极管在受反压条件下的电容量，单位为pF。电容量随着反偏压的增加而减小。变容二极管可以用于简单的LC调谐电路。图8－45就是由一个电感（L）和两个电容构成的，上面的电容C2比下面的变容二极管的电容值C1要大很多，这样调谐电路谐振频率主要由电感和变容二极管的电容决定。

你可以回忆一下：串联电容的总电容公式：

     Cs=

例8-8

若图8－45 中C2为0.005μF，C1从400到100pF随着电压的增加而减小，计算等效电容量。首先，将0.005uF 转化为pF。

     0.005×10-6=5000×10-12

接着，计算C1=400pF 时的总电容值：

     Cs==370pF

在C1=100pF时

      Cs==98pF

在两种情况下，串联的电容值都接近C1的值。

在图8－45中，串联的电容起到了调谐电感器的作用，该电容值取决于偏压电路，因此

调整R 2将改变LC调谐电路的谐振频率。

你可以回忆一下：LC电路的谐振频率计算公式：

      fr=

例8-9

计算在可变电容范围为400到100pF的频率范围，假如线圈电感为1μH。假定C2的值相当大，对电路不会产生影响，得到高频为：

 fh= =15.9MHz

低频为：

 fl=  =7.96MHz

高频减去低频的值就得到了频率的范围。

  frange=fh-fl=15.9MHz-7.96MHz=7.94MHz

     可见，在可变电容的范围是4到1时，高频与低频的比率为2：1，这是因为频率反比于电容值的平方根。

例8-10

若图8－45中可变电容的范围是10到1，求频率比值：

     解：fratio==3.16

图8－45中的R1有很高的电阻值，它用来隔离调谐电路和偏压控制电路。这样防止了调谐电路的Q值的减少。负载的阻抗越高，Q的值越大。电阻R2和R3的作用是可调电压分压器。随着电阻的滑臂的往上滑动，二极管的反偏压就会增加。该过程会减少变容二极管的电容并升高调谐电路谐振频率。若没有R3，二极管的偏压可能会减到零。在变容二极管调谐电路中，零偏压是不允许的。在调谐电路中交流信号可能会导致二极管的正向导通，这样会引起不希望出现的结果。图8－45的这种电路能够用于许多电子调谐电路。

7、PIN二极管及应用

有一部分二极管在P区和N区之间建立了“本征”(Intrinsic Layer)层。这些二极管被称为PIN二极管，I就是指P区和N区之间的“本征”层。本征层是纯硅，在PIN管受正偏压的条件下，载流子注入本征区。反之，在二极管受反偏压的条件下，需要有一个较长的时间来将载流子清除出本征区。这就使得PIN管不能够用于高频整流。

PIN管的价值在于它们可以作为可变电阻用于射频电路。图8－46表明了在直流条件下一种典型的PIN电阻变化特性。当直流电流增加时，PIN管的电阻减小。

PIN管也可以用作射频开关。它们的优势在于更快速、更安静、更可靠地工作。一个典型的情况示于图8－47中的双路无线电装置。接收和发送公用一个天线，但是当发送在进行时，接收就必须与天线隔离开，否则发送可能遭到破坏。这个隔离过程通过用一个正电压加到图8－47偏压端使得两个PIN管开通来实现。直流电流将从地流过D2，经过线圈，通过D1流过射频扼流圈到达电源端。两个二极管都有低的电阻值，从发射机发出的射频信号通过D1到天线上将几乎不会损失。D2也有低的电阻值，在发射信号时，它能够显著抑制射频电压到达接收装置的输入端。在接收过程中，除去偏压，两个二极管都表现为高阻抗。D1使天线和发射机有效的隔离开。

除了射频转换之外，PIN管还可以提供射频信号衰减，图8－48是PIN管的衰减器电路，当控制点在0V时，从输入到输出，信号很少衰减，这主要是由于D1处于正向偏置的低阻抗状态。D2处于反向偏置，对信号没有任何的影响。正向偏置取决于通过3kΩ的电阻的电压降，控制点在0V时，有12V的电压通过包括一个3kΩ电阻、D1和2.7kΩ的电阻的串联电路。顺着箭头的方向，由于二极管的电阻很小，几乎可以忽略掉，因此3kΩ的电阻上的电压降可以求出：

     U=×12V=6.32V

左边的51Ω电阻节点A的电压是从12V减去6.32V得到：

     UA =12V-6.32V=5.68V

由于D2 的阴极为6V，而阳极通过一个51Ω的电阻连到5.68V，由于阴极比阳极的电势高，故D2处于反向偏置，有很高的电阻。

图8－48中，在控制电压变到6V时，情况就刚好相反了，顺着箭头方向，D1关断而D2开通，由于D2在一个低的电阻状态，因此几乎没有任何的输入信号可以到达输出端。假定D2的阴极就是射频地（通常通过一个电容连到地,在信号的频率起旁路作用）输入的信号完全降在左边的51Ω电阻上。

为了证明图8－48中的D1在控制电压为6V时处于关断状态，我们将再次用到分压方程。电流的方向现在是通过D2、51Ω电阻、3kΩ电阻，现在流过3kΩ电阻的电压降为：

      U=×（12V-6V）=5.9V

D1阳极端的电压可以通过12V减去电压降得到：

     UA=12V-5.9V=6.1V

因此，D1的阳极相对阴极而言仅有0.1V的正向电压，这个正偏压不足以使D1导通，因此D1处于关断高阻抗状态。