黄勇

【摘要】 二极管是高中通用技术教学中最早接触的一种电子器件，在各种电子电路中有很广泛的应用。由于高中学生电学知识的限制，我们重点讨论其在理想工作状态（即具有理想的单向导电性）下的简单应用。

【关键词】 二极管 通用技术 应用

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2017）10-137-02

二极管是一种基本的半导体器件，具有单向导电性，高中涉及的应用范围包括基本的数字电路、整流电路和多种逻辑门电路等。我们在学习这部分内容时，一方面要理解好二极管的基本结构和工作特性，据此对基本的数字电路进行简单分析；同时要抓住二极管导通和截止的条件，从而判断电路的实际状态，进一步推理在其它电路中的应用。

一、二极管的基本结构和特性

1. 二极管的基本结构

将一块半导体材料的一侧扩散成P型半导体（参与导电的主要是带正电的空穴），另一侧扩散成N型半导体（参与导电的主要是带负电的电子），则在他们的交界面上会形成一个PN结。在结的两端各引出一个电极，并将整块半导体材料封装在管壳内，就构成了一个二极管。

2. 二极管的特性

二极管最主要的特性就是单方向导电性，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

（1）正向特性：在电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式称为正向偏置。当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗二极管约为0.2V，硅二极管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗二极管约为0.3V，硅二极管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。

（2）反向特性：在电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式称反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当普通二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单向导电性，二极管会反向击穿而损坏。

高中学生由于受所学知识的限制，一般考虑其理想的工作状态，即：二极管两端加正向电压导通，相当于短路，电阻很小甚至为零；而加反向电压截止，相当于断路，电阻很大。

二、二极管在电路中的应用

1. 单向导电性的基本应用

根据二极管的单向导电性，我们可以对一些简单电路进行分析。

例题：黑箱中有一个二极管，还有两个阻值均为1kΩ的电阻，它们与黑箱的接线柱1、2、3接成电路，用多用电表的电阻挡对这三个接线柱间的电阻进行测量，得到的数据如表1所示，那么黑箱中的线路是图2中的。

解析：根据二极管的单向导电性，表头读数为零，二极管反接这一点可判断B是错误的；根据读数为0.5kΩ，二极管正接电阻为零，两个电阻应是并联，可判断A错；再根据读数为2kΩ可判断D错；只有C满足三次测量，故选C.

2. 在整流电路中的应用

利用二极管的单向导电性可以对交流电整流，主要有半波整流电路和全波整流电路。

（1）半波整流电路

如下左图所示，当输入电压处于交流电压的正半周时，二极管D导通，此时负载上有电流通过，方向从上向下。这时二极管有很小的正向降压（硅管约为0.6～0.8伏、锗管约0.2～0.3伏），则负载Rl上得到的输出电压vo=vi-vd；当输入电压处于交流电压的负半周时，二极管截止，负载上没有电流通过，输出电压vo=0.该电路输入和输出电压的波形如右图所示。

利用二极管的单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电；由于在一个周期中，仅在半个周期内有电压加在负载上，有电流通过负载，而下半周期中，负载上无电压又无电流，因此称这种电路为半波整流电路。

半波整流电路是最简单的二极管整流电路，由于整流效率低，电流波动大，可用于整流要求不高的场所。

（2）全波整流电路

把两个二极管并联接入输入端，就可以形成一个全波整流电路，如下所示。

当输入电压处于交流电压的正半周时，二极管D1导通，D2截止，负载上有从上向下的电流通过，输出电压Vo=vi-VD1；当输入电压处于交流电压的负半周时，二极管D2导通，D1截止，负载上也有同样的电流通过，输出电压Vo=vi-VD2.不管是处在哪半个周期，在电路的输出端始终是一个方向不变的脉动电流，因此称为全波整流。

全波整流不仅利用了正半周期，而且还巧妙地利用了负半周期，从而大大地提高了整流效率。只不过我们要选择能承受较高反向电压的二极管。

（3）桥式整流电路

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。只要增加两只二极管连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

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，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz和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和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上便得到全波整流電压。其波形图和全波整流波形图是一样的。不难看出，桥式电路中有两只二极管串联，每只二极管承受的反向电压比全波整流电路小一半，因此有更广的应用。

3.在门电路中的应用endprint

门电路是数字电路的基础。教材给我们分析了一个用晶体三极管构成的“非”门电路，这就是一种最基本的逻辑电路。除此之外，我们还可以利用二极管形成另外两种基本逻辑门电路——“与”门和“或”门。

（1）二极管和“与”门电路

如左图为二极管“与”门电路，A，B為输入端，Y为输出端，Vcc=5v，R1=3.9千欧。假设3v及以上代表高电平，0.7及以下代表低电平。下面根据图中情况具体分析：

当Ua=Ub=0v即输入都是低电平时，D1，D2正向偏置，两个二极管均会导通，此时输出端Y电位为0.7v（二极管导通之后，如果其阴极电位是不变的，那么就它的阳极电位固定在比阴极高0.7V的电位上，这也是二极管的一个特性），输出为低电平。

当输入电平Ua，Ub一高一低时，不妨假设Ua=3v，Ub=0v，这时不妨先从D2开始分析，D2会导通，导通后D2两端电压会被限制在0.7v，那么D1由于右边是0.7v左边是3v所以会反向偏置而截止，因此最后Y为0.7v输出低电平；这里也可以从D1开始分析，如果D1导通，那么Uy应当为3.7v，此时D2将导通，那么D2导通，压降又会变回0.7，最终状态Y仍然是0.7v.输出低电平，此时D1马上截止。

当Va=Vb=3v输入都是高电平，这个情况很好理解，D1，D2都会正偏，Y被限定在3.7V，输出高电平。真值表如右上图。

很明显，只有输入都为高电平的情况下，输出才是高电平，这就是“与”门电路。

（2）二极管和“或”门电路

同理，二极管“或”门电路也可以做出如下分析：

①U=UB=0V时，D1、D2由于正偏而导通，UY=（0-0.7）=-0.7V

②UA=0V、UB=3V时，D2导通，D1反向偏置截止，UY=（3-0.7）=2.3V

③UA=3V、UB=0V时，D1导通，D2反向偏置截止，UY=（3-0.7）=2.3V

④UA=UB=3V时，D1、D2都正偏导通，UY=（3-0.7）=2.3V

即只要输入端有高电平，输出就是高电平，否则是低电平。

以上就是二极管在高中数字电路中的应用。通过分析，我们加深了对二极管结构和特性的掌握，拓展内容也符合中学生的认知，有助于培养学生的知识迁移能力和解决实际问题的能力，可以考虑在教学中加以应用。

[ 参 考 文 献 ]

[1]付植桐主编.电子技术.高等教育出版社.

[2]电子控制技术.江苏凤凰教育出版社.

[3]浙江省普通高中通用技术学科教学指导意见浙江省教育厅教研室.endprint