二极管原理及特性-二极管不同分类与整流电路详细解析

二极管的基本概述

二极管由管芯、管壳和两个电极构成。管芯就是一个PN结，在PN结的两端各引出一个引线，并用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，就构成了晶体二极管，如下图所示。P区的引出的电极称为正极或阳极，N区的引出的电极称为负极或阴极。

二极管原理

二极管工作原理（正向导电，反向不导电）

晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成了空间电荷层，并且建有自建电场，当不存在外加电压时，因为p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当产生正向电压偏置时，外界电场与自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流（也就是导电的原因）。 当产生反向电压偏置时，外界电场与自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围中与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0（这也就是不导电的原因）。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

二极管的特性

（1）二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是指加在二极管两端电压和流过二极管的电流之间的关系，用于定性描述这两者关系的曲线称为伏安特性曲线。通过晶体管图示仪观察到硅二极管的伏安特性如下图所示。

（2）二极管的正向性

外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。

（3）二极管的反向性

外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。

（3）二极管的击穿

外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。

二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，锗管正向管压降为0.3V，发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。主要有三种颜色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为2.0--2.2V，黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V，绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V，正常发光时的额定电流约为20mA。

二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。

二极管的分类

（1）二极管按照所用的半导体材料：

锗二极管（Ge管）

硅二极管（Si管）

（2）根据其不同用途：

检波二极管

整流二极管

稳压二极管

开关二极管

隔离二极管

肖特基二极管

发光二极管

硅功率开关二极管

旋转二极管等

（3）按照管芯结构：

点接触型二极管

面接触型二极管

平面型二极管

二极管-整流电路解析
（1）单向半波整流电路

二极管就像一个自动开关，u2为正半周时，自动把电源与负载接通，u2为负半周时，自动将电源与负载切断。因此，由下图可见，负载上得到方向不变、大小变化的脉动直流电压uo如下图所示。由于该电路只在u2的正半周有输出，所以称为半波整流电路。如果将整流二极管的极性对调，可获得负极性的直流脉动电压。

（2）全波整流电路

整流原理：

设变压器二次侧的电压为：

1)当u2为正半周时，A点电位最高，V点电位最低，二极管V1和V3导通，V2和V4截止，电流的通路是 A→V1→RL→V3→B。

2)当u2为负半周时，B点电位最高，A点电位最低，二极管V2和V4导通，V1和V3截止，电流的通路是 B→V2→RL→V4→A。

可见，在u2变化的一个周期内，负载RL上始终流过自上而下的电流，其电压和电流的波形为一全波脉动直流电压和电流，如下图所示。

（3）滤波电路

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分(称为纹波电压)。为此需要将脉动直流中的交流成分滤除掉，这一过程称为滤波。

（4）电容滤波

电容滤波的特点为：

1)输出电压平均值的大小与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量或RL的阻值越大，其放电速度越慢，输出电压也越大，滤波效果越好。

2)在采用大容量滤波电容时，接通电源的瞬间充电电流特别大。电容滤波器结构简单，负载直流电压UL较高，纹波也较小，但是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

参数选择：

1) 输出电压：UL=U2(半波) UL=1.2*U2(全波或桥式)

2) 电容的选择：C>=(0.03~0.05)/RL

3) 二极管的选择：Urm=1.41*U2

（5）电感滤波

电感滤波器特点：由于自感电动势的作用使二极管的导通角比电容滤波电路时增大，流过二极管的峰值电流减小，外特性较好，带负载能力较强。电感滤波电路主要用于电容滤波器难以胜任的大电流负载或负载经常变化的场合，在小功率电子设备中很少使用。

对直流分量: XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上。

对谐波分量: f 越高，XL 越大,电压大部分降在XL上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。

当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：UL=0.9U2

（6）稳压二极管

当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流Iz在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数。

几种二极管整流电路原理图解。

（1）二个二极管全波整流电路图

用2个二极管全波整流电路如下图：

（2）四个二极管全波整流电路图

桥式整流电路的工作原理如下：E2为正半周时，对D1、D3加正向电压，D1、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成E2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，E2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中构成E2、D2、Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在Rfz 上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤。

（3）单相全波桥式整流器电路工作原理

由图可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。

因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。桥式整流的名称只是说明电路连接方法是桥式的接法，桥式整流二极管：大家常用的一般是由4只单个二极管封装在一起的元件，取名桥式整流二极管，整流桥或全桥二极管。

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