电路学习（四）二极管

二极管的基本作用是单向导通（类似单向阀），利用此特性可以实现电路的整流、电压钳位等功能。

1. 什么是二极管？

二极管是由P型半导体和N型半导体组合而成，将这两种半导体结合形成“PN结”。

P型半导体：带有丰富正电荷的空穴；

N型半导体：带有丰富负电荷的自由电子。

1.1 二极管的工作原理：

正向偏置：二极管正极（阳极，A）接电源正极，负极（阴极，K）接电源负极时，外部电压克服内部电场，电流导通（类似水从单向阀正方向通过）。

可以理解为此时二极管负极负电荷增加，由于二极管正极富含正电荷空穴，因此二极管负极的负电荷往二极管正极方向移动，形成电流，即电路导通。

反向偏置：二极管正极接电源负极，负极接电源正极，二极管内部电场被增强，阻挡电流通过，电路几乎断开（类似水无法从单向阀反方向流过）。

可以理解为此时二极管正极的正电荷空穴已被填充，并且带有负电荷，则与二极管负极的负电荷相排斥，阻挡负电荷流动，无法形成电流，即电路断开。

2. 二极管分类：

2.1 按材料构成，二极管可分为：

① 硅二极管：正向导通压降为0.6~0.7V，工作时PN结温度高；

② 锗二极管：正向导通压降为0.2~0.3V，反向漏电流大，热稳定性差；

③ 砷化镓等化合物二极管：如LED、激光二极管、微波二极管等。

二极管按功能可分为普通二极管、续流二极管、整流二极管、发光二极管（LED）、稳压二极管、肖特基二极管等，本文不进行展开描述。

3. 二极管基本特性：

3.1 二极管的基本功能是单向导通，反向截止。

3.2 二极管漏电特性：

二极管的反向截止并不是完全断开，而是会存在微小的电流通过（肖特基二极管漏电流较大）。

4. 二极管的常见作用：

4.1 半波整流二极管（利用二极管单向导通和导通压降、电容充放电特性）：

当交流电压下降到小于二极管导通压降时（此时C1两端电压电路中此刻的最大电压小0.7V，电容充放电会影响电路中的最大电压值，可能会高于电源电压），二极管截止。此时C1两端电压保持不变，并慢慢通过R4放电。当输入电压再次大于二极管导通压降时，二极管导通，并给电容充电。重复上述过程，最终C1两端电压可以一直维持在比电路中此刻最大电压小0.7V（二极管导通压降）。

从上图中可以看出，二极管半波整流只利用到了交流电的正半周期，利用率不高。利用率更高的是二极管全波整流电路。

4.2 二极管全波整流电路（利用二极管单向导通和电容充放电特性）：

当交流电在正半周期时，电流只能单向导通，从D4->R5->D6->电源负极。

当交流电在负半周期时，电流从D7->R5->D5->电源负极。

4.3 二极管钳位功能：

实现二极管钳位功能的前提是输入电压大于二极管导通电压。由二极管的伏安特性曲线可知，当二极管输入电压大于导通电压时，随着电流的增加，二极管两端电压变化非常小，因此可以把并联电路中的电压钳位在导通压降处。此功能可以防止输入电压过大而损坏后级电路或者将电压钳位住。

4.4 二极管控制电流方向：利用二极管单向导通特性，控制电流方向，防止反接。

4.4 二极管反向耐压值：

虽然二极管承受反向电压时会自动截止，但是，当反向电压大于二极管最大反向耐压值时，二极管将会发生反向击穿，从而导致电流急剧增大，可能会永久损坏二极管。

4.5 稳压二极管：

稳压二极管的工作状态是反向击穿。当稳压二极管被反向击穿时，二极管两端电压会保持在固定值。在下图电路中，当电源电压升压，但是稳压二极管两端电压依然维持在5.6V左右。

5. 总结：

二极管在电路具有整流、钳位、稳压、控制电流方向、续流（后面三极管和MOS管中会介绍）等功能，利用二极管的单向导通特性可以设计不同的电路（整流、续流等），从而实现期待功能。