发光二极管反向击穿电流允许多大

五、半导体二极管

半导体二极管也称晶体二极管，简称二极管。它具有是由P型半导体和N型半导体形成的P－N结的半导体器件，具有单向导电特性，还具有整流、检波、钳位、限幅、开关及各种保护器件等作用。二极管有两个电极，接P型半导体的引脚为正极，接N型半导体的引脚为负极，如图1－18所示。

图1－18　半导体二极管相关图示

（一）二极管的导电特性

二极管最重要的特性就是单向导电性，在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面简单地说明二极管的正向特性和反向特性。

1.正向特性

正向特性曲线如图1－19坐标中第一象限所示。在起始阶段，正向电压较小时，正向电流极小（几乎没有），这个范围称为死区，二极管呈现电阻很大仍处于截止状态；当正向电压超过E、F点的电压时，电流随电压的上升，开始增加较为缓慢，当超过A、B点以后就急剧增大，二极管电阻变得很小，进入导通状态。E、F点数值常称为门槛电压或截止电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.2）。由图可见，二极管的正向电流和正向电压是非线性关系（非正比例关系），当正向电流急剧增大时，二极管两端正向压降的增大十分微小，近于定值，该值称为正向压降或导通电压。硅管的导通电压约为0.7V（B点），锗管约为0.3V（A点）。

图1－19　二极管反向特性曲线

2.反向特性

如图1－19坐标中第三象限所示。在起始的一定范围内，反向电流很小，在几十微安以内，它不随反向电压而变化，称为反向饱和电流，由图可知I_D点比I_C大（即锗管比硅管大）；当反向电压增加到某一数值（此电压值称为反向击穿电压）时，反向电流会突然急剧增大，导致管子被击穿，这种现象称为反向电击穿，简称反向击穿。普通二极管反向击穿后，若反向击穿电流使PN结温度迅速升高而烧坏PN结，这时电击穿转变成热击穿。如果限制电击穿后的反向电流，使它和反向电压的乘积不超二极管本身最大的耗散功率，则管子就不会被热击穿。

（三）二极管简介与检测

1.几种常用二极管简介

图1－20　检波用二极管

（1）检波二极管

就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小（100mA）作为界线，通常把输出电流小于100mA的叫检波。检波（也称解调）二极管是利用PN结单向导电性，将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来（如图1－21），广泛应用在半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，常采用锗材料点接触型：工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，常用型号为2AP型，如图1－20所示。

图1－21　检波工作原理

（2）整流二极管

以整流电流的大小（100mA）作为界线，通常把输出电流大于100mA的叫整流，它是利用二极管单向导电性，把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。整流二极管多数采用平面接触型，硅材料制成金属封装或塑料封装的二极管，其特点是允许通过的电流比较大，反向击穿电压比较高，但PN结的结电容比较大，一般应用于频率不高的电路中，例如整流电路、钳位电路、保护电路等，而不适宜在高频电路中应用。整流桥可以由整流二极管搭建，也有已搭建好的桥堆，如图1－22。

图1－22　整流二极管相关图示

（3）开关二极管

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管，也有在高温下还可以工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特点是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短，因而是理想的开关二极管。2AK型点接触为中速开关电路用，如图1－23所示；2CK型平面接触为高速开关电路用，用于开关、限幅、钳位或检波等电路；肖特基（SBD）硅大电流开关，正向压降小，速度快、效率高。开关二极管广泛应用在自动控制电路中。

图1－23　两种开关二极管外观图

（4）稳压二极管

稳压二极管（又称齐纳二极管）是利用PN结反向击穿后，其端电压在一定范围内基本保持不变的特性而制成的。它在电路中专门用来稳定电压的，一般采用硅材料制成，其封装形式有塑料封装、金属封装和玻璃封装，如图1－24所示。稳压二极管的主要参数是稳定电压Uz和最大工作电流I_ZM。

①稳定电压（Uz）是指稳压二极管在起稳压作用的范围内，其两端的反向电压值。不同型号的稳压二极管具有不同的稳定电压值，即使是同一型号的稳压管，由于制造上的原因，也难以使稳定电压为同一数值，而是有一个小的数值范围，使用时应注意根据需要选取。

（2）最大工作电流（I_ZM）是指稳压二极管长期正常工作时，所允许通过的最大反向电流值。使用时不能超过最大工作电流I_ZM，否则会烧毁稳压二极管。通常，为防止过电流损坏，采用稳压二极管与限流电阻串联的方法进行保护。如图1－25，其中Rs为限流电阻。

图1－24　常见二极管外观图

图1－25　稳压管稳压电路

（5）变容二极管

用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。通过施加反向电压，使其PN结的静电容量发生变化。其特点是结电容随着管子上的反向电压大小而变化：反向电压越大，结电容越小；反向电压越小，结电容越大。变容二极管多使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。如图1－26、1－27。

图1－26　常见变容二极管外观图

图1－27　变容二极管符号

（6）限幅用二极管

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。大多数二极管能作为限幅使用。也有像保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。限幅示意图，如图1－28所示。

图1－28　限幅示意图

（7）双向二极管

双向二极管相当于两个二极管反向并联，无论在双向二极管的两极之间加什么极性的电压，只要电压数值超过其起始电压，就能导通，导通将持续到电流中断或降到器件的最小保持电流才会再次关断。它通常应用在过电压保护电路、移相电路、晶闸管触发电路、定时电路及调光电路中，如图1－29所示。

图1－29　双向二极管的外观、结构图及符号、伏安特性曲线

（8）发光二极管

发光二极管（常简写为LED）是由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，它也是半导体二极管的一种，具有单向导电性，还能把电能转化成光能；当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入N区的空穴和由N区注入P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光和黄光的二极管，如图1－30所示。

图1－30　各类发光二极管及LED产品

①单色发光二极管可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管。它具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用

图1－31　单色发光二极管符号

时需串接合适的限流电阻。符号如图1－31所示，外观图如图1－30（a）所示。普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。

②变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。变色发光二极管一般都有共阴、共阳之分：共阴就是其内部将多个发光二极管的负极连接在一起，反之则为共阳，图中G和R表示绿和红色。如图1－32所示。

图1－32　三端变色发光二极管外形图和电路符号

③LED数码管是利用发光二极管的制造工艺，由7个条状管芯和一个点状管芯的发光二极管按照一定的连接方式，组成一个“8”，这就构成LED数码管。LED数码管分共阴极与共阳极两种，如图1－33所示，其中a～g代表7段的驱动端dp是小数点。3和8内部连通。对共阳极LED数码管，将8只发光二极管的阳极（正极）短接后作为公共阳极，此时只要每段电极接到低电平，公共阳极接高电平，则相应的那段就会被点亮。共阴极的则与之相反。LED数码管可分为一位、双位、多位LED数码管。特点：能在低电压、小电流的条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容；发光响应时间极短（小于0.1秒），高频特性好，单色性好，亮度高；体积小，重量轻，抗冲击性能好；寿命长，长达10万小时以上。点阵是许多发光二极管按一定的规律排列，形成一个模块（如图1－34）。根据发光二极管的颜色可分红色、绿色、双色、全彩点阵等。点阵同样有共阴与共阳之分。假如将大量的全彩点阵组合起来，并加以控制，则可以组成一个显示屏。这样一个大的点阵就可以显示图片、文字等，外形如图1－30（e）所示。

图1－33　LED数码管示意图

图1－34　发光二极管点阵模块

（三）常用二极管的检测

1.开关、检波、稳压二极管的检测

用万用表的R×10k挡测得的电阻值较小的阻值，则为二极管的正向电阻，这时与黑表笔相连的是二极管的正极，与红表笔相连的是二极管的负极。如果所测阻值较大则为反向电阻，这时与黑表笔相连的是二极管的负极，与红表笔相连的是二极管的正极。如果测得反向电阻很小，说明管子已击穿，若正、反向电阻均为无穷大，表明管子已断路。若正、反向电阻相差不大或有一个阻值偏离正常，表明管子性能不良，不能使用（注：由于二极管是一个非线性器件，当用万用表的欧姆挡测量二极管时，不同的量程测出的正向电阻数值不同，这属于正常现象）。

2.区分锗管与硅管

由于锗二极管和硅二极管的正向管压降不同，因此可以用测量二极管正向电阻的方法来区分。若正向电阻小于1KΩ，则为锗二极管，若正向电阻为1KΩ～5KΩ，则为硅二极管。

3.双向二极管的检测

由于双向二极管的起始电压较高，一般在26～35V，所以，用普通万用表的电阻挡测量双向二极管的正、反向电阻值均为无穷大（因为一般指针万用表内的电池电压都在22.5V以下）。测试双向二极管需要外加一个高于双向二极管起始电压的电源，一般50V就足够了。测试时将双向二极管与20KΩ电阻和电流表（可用万用表的1mA挡）串联后，接连续可调的直流电源。逐渐增加直流电源电压，当电流表指针有较明显摆动时（几十微安以上）就说明双向二极管导通了，此时的电压就可认为是双向二极管的起始电压。

4.发光二极管的检测

发光二极管除低压型外，其正向导通电压大于1.8V，而指针万用表大多用1.5V电池（R×10k挡除外），所以无法使管子导通，测量其正向电阻均为无穷大或很大，难以判断其好坏，可用以下方法来检测：

①可用有R×10k挡、内装9V或9V以上电池的指针万用表测量，方法是用R×10k挡测正向电阻，而用R×1K挡测反向电阻，判断方法与普通二极管相似。

②在指针万用表外附接一节1.5V电池（电池的负极与黑表笔相连）然后将表置于R×10或R×100挡，用红表笔以及外接电池的正极分别与发光二极管两端接触，若管子发光，就说明是好的。

③将数字万用表的红表笔插入“V/Ω”插孔，黑表笔所插入“COM”插孔，量程开关置于”（注意红表笔为“＋”极性，然后将两表笔接待测二极管的两端，发亮说明发光二极管是好的）。也可以将数字万用表的量程开关置于h_FE挡，将发光二极管的正负极分别插入NPN的C、E孔（或PNP的E、C孔），发亮说明发光二极管是好的（注意，由于电流较大，点亮时间不要太长）。

④最简单最快速的方法是将直流稳压电源的输出电压表调在2V左右，电源的正极、负极分别接发光二极管的正、负极，发光二极管亮说明是好的（点亮时间不能太长，以免烧坏发光二极管）。