这一篇在干嘛？
这一章讲的是二极管（diode）——一种只允许电流单方向通过的元件。我们先从它的物理根基 PN 结（pn junction）讲起，弄懂为什么它”单向导电”；然后学习它的三种电路模型、三大整流电路（半波、全波、桥式）、电容滤波与三端稳压器、限幅与钳位电路，最后认识齐纳、变容、LED、光电二极管这些”特长生”，并学会看数据手册和排查电源故障。原书 2–1 节（半导体能带基础）未包含在本切片中，我们从 2–2 节正式开始。
本章导航
- 2.2 掺杂与 PN 结
- 2.3 二极管的偏置
- 2.4 二极管特性
- 2.5 整流电路
- 2.6 滤波与集成电路稳压器
- 2.7 限幅与钳位电路
- 2.8 特殊用途二极管
- 2.9 二极管数据手册
- 2.10 电源故障排查
- 本章小结与关键公式
- 自测与练习插图
- 附录 切片附带的第 3 章开头 BJT 简介
2.2 掺杂与 PN 结
本征硅（intrinsic silicon，即纯净的硅）其实是种很差的导体——自由载流子太少。想让它能导电，就必须人为地”加料”：通过掺杂（doping）向纯净硅中可控地引入杂质原子，成倍增加自由电子或空穴的数量，从而大幅提高电导率、降低电阻率。掺杂后的硅分两大类：n 型和 p 型。
- n 型材料：往硅里掺入五价杂质（每个原子有 5 个价电子），称为施主（donor），典型元素有砷（arsenic）、磷（phosphorus）、锑（antimony）。每个五价原子和周围 4 个硅原子形成共价键后，会多出一个不受任何束缚的电子，直接进入导带成为自由电子。所以 n 型里电子是多数载流子（majority carrier），空穴是少数载流子（minority carrier）。
- p 型材料：往硅里掺入三价杂质（只有 3 个价电子），称为受主（acceptor），典型元素有铝（aluminum）、硼（boron）、镓（gallium）。三价原子凑不齐 4 个共价键，每掺入一个就留下一个空穴（hole）。所以 p 型里空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
常见坑：掺杂不等于带电
很多初学者以为”n 型带负电、p 型带正电”。错！掺杂过程始终保持整体电中性：n 型里那个多余电子的负电荷，正好被施主原子核多出的一个正电荷抵消；p 型同理。n、p 只是描述载流子的种类占多数，不是材料带了静电。
制造时把一块硅的一半掺成 n 型、另一半掺成 p 型，两者的交界面就叫 PN 结（pn junction）。这一个结，就是二极管、三极管乃至所有固态器件的核心。
图：PN 结形成瞬间，n 区靠近交界面处的自由电子开始扩散穿过结，落入 p 区的空穴中（原书图 2–5a）
图：每有一个电子扩散过结并与空穴复合，n 区就留下一个正电荷、p 区就产生一个负电荷，形成势垒 ；该过程持续到势垒电压足以排斥进一步的扩散为止（原书图 2–5b）
耗尽层（depletion region）：结一旦形成，结附近的导带电子会越过边界扩散进 p 区，与那里的空穴复合。每复合一个电子，n 区侧就剩下一个带净正电的正离子（施主原子失去了电子），p 区侧则出现一个带净负电的负离子（受主原子多得了电子）。这些固定不动的离子层在结两侧堆积，形成一个内建电场，即势垒电位（barrier potential，）：
- 室温下硅（Si）约为 0.7 V，锗（Ge）约为 0.3 V。
- 锗二极管如今已很少用，所以本书和实际工程中基本都按 0.7 V 计算。
离子层建成后，结两侧的区域里既几乎没有自由电子也几乎没有空穴——被”耗尽”了，所以叫耗尽层。想再让任何电荷穿越这条边界，就必须先克服这个势垒电位。
通关标准：
能不看书回答：n 型/p 型分别是掺什么杂质、多哪种载流子？势垒电位硅是多少？为什么掺杂后材料整体仍不带电？——四个问题都答上来，这节就算过了。
2.3 二极管的偏置
一个 PN 结就构成一个半导体二极管（semiconductor diode）。平衡状态下 PN 结上没有电流。二极管的本事在于：通过外加直流电压的极性——即偏置（bias，指为半导体器件设定工作条件的固定直流电压）——可以决定它导通还是截止。
正向偏置（forward bias）：电源负极接 n 区（阴极 cathode 端），正极接 p 区（阳极 anode 端）。此时阳极电位高于阴极。工作过程：电源负极把 n 区的电子推向结，正极把 p 区的空穴也推向结；当外加电压足以克服势垒电位时，电子穿过耗尽层进入 p 区与空穴复合。电子离开 n 区后，电源负极源源不断补充电子——所以 n 区里是电子（多数载流子）向结移动形成电流；电子进入 p 区变成价电子，在空穴间逐格”接力”移向正极，等效于空穴（多数载流子）向结移动。两区都是多数载流子导电，所以正向电流可以很大。
图：正向偏置半导体二极管中的电子流动路径（原书图 2–6）
反向偏置（reverse bias）：电源负极接 p 区、正极接 n 区（阳极更负、阴极更正）。电源把多数载流子都拉离结：负极吸走 p 区的空穴，正极吸走 n 区的电子。结果耗尽层变宽，直到其上的电位差等于外加电压为止——此时耗尽层就像一层绝缘体夹在两组离子之间，多数载流子电流被完全阻断。
图：(a) 反向偏置刚加上时的瞬态电流（原书图 2–7a）
图：(b) 耗尽层电位差等于外加偏置电压后，电流停止（原书图 2–7b）
反向峰值电压（peak inverse voltage, PIV）：二极管反向偏置时必须能承受住加在它上面的最大反向电压，否则会被击穿。选用二极管时，PIV 额定值应高于电路中的实际反向电压。
反向击穿（reverse breakdown / 雪崩击穿 avalanche breakdown）：如果反向电压加得足够大，某个少数载流子电子被外电场加速，撞上原子把价电子撞进导带——1 变 2、2 变 4、4 变 8……载流子雪崩式倍增，反向电流迅速增大。注意：击穿本身并不必然损坏二极管，真正杀手是过热——只要电路里有限流措施，二极管可以在击穿区安全工作（齐纳二极管就是专门为此设计的，见 2.8 节）。
常见坑：别把 和 搞混
是外接的偏置电池电压（你加的）， 是 PN 结自身的势垒电位（约 0.7 V，材料属性）。正向导通时二极管两端”吃掉”约 0.7 V，剩下 V 落在限流电阻上；反向截止时整个 几乎全落在二极管上。
2.4 二极管特性
符号与基本接法
图：通用二极管的标准电路符号，A 为阳极、K 为阴极，箭头始终指向阴极（原书图 2–8a）
图：二极管的正偏与反偏电路， 是偏置电池电压， 是势垒电位，电阻把正向电流限制在安全值内（原书图 2–8b、c）
正向偏置时，阳极相对阴极为正，二极管导通（电流表有读数），此时阳极与阴极之间始终维持约等于势垒电位 的电压，电阻上的电压 。反向偏置时二极管截止，电路无电流，电阻上没有电压，整个 全部加在二极管两端。
图：常见二极管封装及引脚标识，A 表示阳极、K 表示阴极（原书图 2–9）
特性曲线（IV 曲线）
图：二极管伏安特性曲线，右上象限为正向区，左下象限为反向区（原书图 2–10）
- 正向区（第一象限）：正向电压 低于势垒电位时几乎没有正向电流 ；接近 0.7 V（硅）时电流开始上升；一旦达到势垒电位，电流急剧增长，必须用串联电阻限流。导通后二极管两端电压维持在约 0.7 V 并随电流略微增大——这个电压常被称为二极管压降（diode drop）。
- 反向区（第三象限）：反向电流几乎为零，直到击穿电压。大多数整流二极管的击穿电压高于 50 V，正常应用不会工作在反向击穿区。
用示波器也能”画”出这条曲线：给二极管加一个峰峰值 5 V、以 0 V 为中心的三角波，通道 1 测二极管压降、通道 2 测与电流成正比的信号，示波器置 X-Y 模式并把通道 2 反相即可。注意信号发生器的公共端不能与示波器地相同。
图：在示波器上显示二极管 IV 曲线的接法，示波器置于 X-Y 模式且 Y 通道反相（原书图 2–11）
用万用表/欧姆表快速判好坏
模拟欧姆表的内电池可以给二极管加正偏或反偏：选 R×100 挡，正反各测一次，正反向读数之比应很高（典型 1000 倍以上）。这只是一种相对测试。多数数字万用表有专门的二极管挡：好的硅二极管正向显示约 0.5～0.7 V 的压降，表笔反接则显示过载。
三种电路模型
分析电路时不必每次都搬出完整的指数曲线，按精度需求选模型即可：
理想模型（ideal model）——把二极管当开关：正偏=闭合开关，反偏=断开开关。正向压降和反向电流都视为零。当偏置电压至少是势垒电位的 10 倍以上时，这个模型已经足够准。
图：理想模型，(a) 正偏时相当于闭合开关（原书图 2–12a）
图：理想模型，(b) 反偏时相当于断开开关（原书图 2–12b）
图：理想模型的特性曲线（原书图 2–12c）
阈值模型（offset model）——在理想开关上串一个 0.7 V 的”等效电池”（正极朝阳极）。注意：势垒电位不是真的电压源，电压表量不出来，它只在正偏时表现出”抵消电压”的效果。反偏时仍是断开开关。本书除非特别说明，一律使用这个模型。
图：阈值模型，(a) 正偏＝闭合开关 + 0.7 V 等效电池（原书图 2–13a）
图：阈值模型，(b) 反偏＝断开开关（原书图 2–13b）
图：阈值模型的特性曲线（原书图 2–13c）
阈值-电阻模型（offset-resistance model）——再串入一个很小的正向（体）电阻，它实际上是交流电阻（见原书 1–1 节），随测量点不同而变，图中用直线近似。反偏时则用一个非常大的并联电阻来体现极小的反向电流。还有更小的二阶效应（如结电容）该模型没包含，那就要靠计算机仿真了。
图：阈值-电阻模型，(a) 正偏：包含势垒电位和正向电阻（原书图 2–14a）
图：阈值-电阻模型，(b) 反偏：包含极大的反向并联电阻（原书图 2–14b）
图：阈值-电阻模型的特性曲线（原书图 2–14 续）
常见坑：模型选错，答案"差很多"其实是"该差很多"
用理想模型算出的输出电压总比阈值模型高 0.7 V（桥式整流高 1.4 V）。做题前先看题目要求用什么模型——题目没说就按本书惯例用阈值模型（扣 0.7 V）。别把两种模型的答案当成谁对谁错。
系统示例 2–1：太阳能光伏系统
图：系统示例 2–1 章节图
PN 结也是光伏电池（photovoltaic cell / solar cell，太阳能电池）的核心。光伏效应：阳光中的光子（能量”包裹”）在 n 区和 p 区激发出电子-空穴对，电子聚集在 n 区、空穴聚集在 p 区，在电池两端形成电位差；接上负载后电子流过外部电路供电。
晶体硅电池的结构：从超纯硅锭（常用直拉法/Czochralski 方法生长——把籽晶浸入熔融多晶硅中边旋转边提拉，长出圆柱形硅锭）切出薄片，掺杂形成 PN 结，其中 n 区做得比 p 区薄得多以便透光；顶面用光刻或丝网印刷做出细细的栅状电极（尽量少遮挡阳光），底面是整面固体接触电极；再镀一层减反射膜提高吸光率，最后覆盖玻璃或透明塑料防风雨。
图：光伏太阳能电池的基本构造（原书图 SE2–1）
图：一块成品光伏太阳能电池（原书图 SE2–2）
串联升压、并联扩流：单个电池只能输出约 0.5～0.6 V，实用价值不大。把电池串联可以提高电压——例如 6 个串联电池理想输出 6 × 0.5 V = 3 V（电流与单节相同）；要更大电流就把串联组再并联——假设每节电池能输出 2 A，12 节电池按 2 串 6 并（串-并联）排列就能在 3 V 下输出 4 A。多片电池组合成的组件叫太阳能板（solar panel / solar module）。
图：(a) 串联提高电压（原书图 SE2–3a）
图：(b) 串-并联提高电流（原书图 SE2–3b）
市售太阳能板常见 12 V、24 V、36 V、48 V 规格。实际的”12 V”板输出是 15～20 V——因为要给 12 V 电池充电并补偿线路压降。理想情况下 24 节 0.5 V 的电池即可凑出 12 V，实际 12 V 板通常用三十多节。厂家按峰值太阳辐照度（peak sun irradiance，1000 W/m²）下的输出功率标称。例如某 12 V 板额定电压 17 V、峰值日照下给负载输出 3.5 A，则标称输出功率为
图：大型太阳能板阵列（原书图 SE2–4，图片来源 NREL.gov）
一套带交流负载的太阳能供电系统由四部分组成：太阳能板、充电控制器、电池组和逆变器（inverter，把直流变交流；只带直流负载时不需要）。效率是关键指标——压降、光伏转换过程等损耗不可避免，要尽量减小。
图：带电池备份的基本太阳能供电系统框图（原书图 SE2–5）
通关标准：
① 能画出二极管符号并标出阳极/阴极；② 能徒手画出特性曲线并说明 0.7 V 拐点、反向击穿区位置；③ 能说出三种模型各自包含/忽略了什么、什么场合用哪个；④ 单节太阳能电池 0.5 V，10 节串联、3 组并联总输出多少？（答：5 V，电流 ×3。）
2.5 整流电路
二极管”单向导电、反向阻断”的本事最经典的应用就是整流器（rectifier）——把交流电压变成脉动直流电压的电路。所有用交流电网供电的直流电源里都有整流器。本章学三种基本整流电路：半波、中心抽头全波、桥式全波。
半波整流器（half-wave rectifier）
交流源、二极管、负载电阻串联。输入正半周时二极管正偏导通，负载上得到输出电压——峰值等于输入峰值减去一个二极管压降（式 2–1）：
输入负半周时二极管反偏截止，负载电压为零。净效果：负载上只剩下正半周（扣除 0.7 V），输出是一串脉动直流。注意：负半周期间二极管必须承受住输入的负峰值电压而不被击穿。当输入峰值远大于 0.7 V 时，工程上常直接忽略二极管压降（即用理想模型）。
图：(a) 半波整流器电路（原书图 2–15a）
图：(b) 输入正半周时二极管导通（原书图 2–15b）
图：(c) 输入负半周时二极管截止，输出电压为零（原书图 2–15c）
图：(d) 三个输入周期对应的半波输出电压（原书图 2–15d）
例题 2–1
已知：图示半波整流器输入峰值 5 V。求输出峰值电压、二极管的反向峰值电压 PIV，并画出二极管和负载电阻上的波形。
图：例题 2–1 电路（原书图 2–16）
解：半波输出峰值电压
PIV 是二极管反偏时承受的最大电压，出现在输入负半周：
图：例题 2–1 的波形。把负载电压和二极管电压逐点相加，正好还原输入电压（原书图 2–17）
练习：若输入峰值为 3 V，输出峰值和 PIV 各是多少？（答案：2.3 V，3.0 V）
全波整流器（full-wave rectifier）
全波与半波的区别：整个输入周期都向负载提供同方向电流，输出每半个输入周期脉动一次。
图：Multisim 仿真文件 F02-17，演示正、负半波整流器的工作（原书插图）
图：全波整流的输出波形（原书图 2–18）
中心抽头（center-tapped, CT）全波整流器：用两只二极管接在带中心抽头的变压器副边上。副边总电压的一半出现在中心抽头与副边每一端之间。
- 输入正半周： 正偏、 反偏，电流经 流过负载；
- 输入负半周： 正偏、 反偏，电流经 流过负载。
两个半周电流以同一方向流过负载，所以负载上得到全波整流直流。
图：中心抽头（CT）全波整流器电路（原书图 2–19）
图：(a) 正半周时 正偏、 反偏（原书图 2–20a）
图：(b) 负半周时 正偏、 反偏（原书图 2–20b）
匝比对输出电压的影响：变压器匝比为 1 时，整流输出峰值等于原边输入峰值的一半再减一个二极管压降（因为每个半绕组只分到一半电压）。想让输出峰值等于输入峰值（减压降），就要用 1:2 的升压变压器——此时每个半绕组上的电压恰好等于输入电压。
PIV：每只二极管轮流正偏/反偏，反偏时必须承受的峰值反向电压等于副边总电压的峰值 （理想模型下）。
例题 2–2
已知：原边加 25 V 峰值正弦波，变压器匝比 1:2（升压）。(a) 画出副边绕组和 上的电压波形；(b) 二极管最小 PIV 额定值是多少？
图：例题 2–2 电路（原书图 2–21）
解：(a) 波形如图所示。
(b) 副边总峰值电压
每个半绕组上有 25 V 峰值。用理想模型分析：一只二极管相当于短路时，另一只承受整个副边电压。所以每只二极管的最小 PIV 额定值为 50 V。
图：例题 2–2 副边电压波形（原书图 2–22a）
图：例题 2–2 负载电压波形（原书图 2–22b）
练习：若原边峰值输入为 160 V，二极管需要多高的 PIV 额定值？（答案：320 V）
桥式整流器（bridge rectifier）
用四只二极管，不需要中心抽头变压器——这是电源中最流行的方案，四只二极管也常封装成一个桥堆。工作原理：
- 输入正半周：、 正偏导通，、 反偏，负载上出现正半周电压；
- 输入负半周：、 正偏导通，、 反偏，负载上再次出现同方向的电压。
图：(a) 正半周时 、 导通，、 反偏（原书图 2–23a）
图：(b) 负半周时 、 导通，、 反偏（原书图 2–23b）
输出电压：忽略二极管压降时，副边总电压全部落在负载上，。但注意任何半周都有两只二极管与负载串联，计入硅管压降后（式 2–2）：
PIV：当 、 导通时，把理想模型下它们视为短路，加在 、 上的反向峰值电压等于副边峰值电压：。
常见坑：桥式比 CT 多扣 0.7 V，别记混
同样的副边电压下，半波/CT 全波只扣一个 0.7 V 压降，桥式要扣两个（1.4 V）。但桥式不需要昂贵的中心抽头变压器，且每只二极管的 PIV 要求更低——这就是它成为最主流方案的原因。反过来问：相同输入和匝比下谁的输出电压最高？桥式（CT 若用 1:1 变压器输出只有一半）。
通关标准：
给你三种电路图能一眼认出是哪种整流器；能算半波 、桥式 ；知道全波输出纹波频率是输入频率的 2 倍（60 Hz 输入 → 120 Hz 输出）。
2.6 滤波与集成电路稳压器
整流出来的还是”脉动直流”，而电子电路需要平稳的直流电压和电流来供电与偏置。解决办法分两步：先滤波（filtering，用大电容大幅削减电压波动），再用稳压器（regulator）把输出”钉”在恒定电平上。如今的稳压器是廉价而高效的集成电路（IC）。