上节内容介绍了PN结的基本工程和原理，PN合适封装后就成为二极管（diode）。因此二极管与PN一样根据基体材料不同也分为硅管（silicon diode）、锗管（Ge diode）。二极管的基本特性基本可以利用PN结的特性（feature）进行分析。下面按照二极管的外观、分类、伏安特性、静态工作点、交直流等效电路，工程设计极简化以及应用等几个方面进行介绍。
1. 二极管的外观
- 二极管的外观（appearance） 如图1 所示，其中Cathode表示二极管的阴极（也称负极，用“-”表示），对应ＰＮ结的N端；Anode表示阳极（也称正极用“+”表示），对应PN结P端。一般二极管都有特定标志用于识别阳极与阴极。
图1 二极管外观及符号
2.二极管符号与PN结的对应关系
二极管符号与PN结的对应关系，如图2所示。
图2 二极管与PN结的对应关系
由于PN在P端加正电压，在N端加负电压时，PN结正偏，PN结导通，反之PN为反偏，PN截止。二极管具有相同的极性，即在二极管的阳极（正极）施加正电压，二极管的阴极施加负电压，二极管正偏，二极管两端的电压满足开启电压后二极管正向导通；反之，二极管截止。由图2可以看出二极管的阳极（Anode）对用PN结的P端（P区对应的端子），二极管的阴极（Cathode）对应PN结N端（N区对应的端子）。
3. 二极管的伏安特性曲线
PN的电流公式为：
i = Is ( equ/kT -1 ) (1) 等效为：
i = Is ( eu/UT -1） (2) 化简为：
i ≅Is eu/UT (3)
二极管同样遵循该这3个电流公式。
伏安特性曲线就是以曲线表示二极管电流i与二极管两端输入电压u的关系。二极管的伏安特性曲线与PN的伏安特性曲线相同，如图3所示，电流特性曲线与电流方程i = Is ( equ/kT -1 ) 基本相符。但根据不同的应用场景伏安特性曲线也可以简化不同类型使用。
（1）开关特性
二极管的开关特性参见数字电路课程第一节 半导体器件的开关特性（二极管）。
图3 二极管伏安特性曲线
（2）正向导通及二极管近似简化模型
当二极管的正向偏置超过开启电压后（硅二极管的开启电源约0.5V, 锗二极管的开启电压约为0.1~0.2V）, 二极管正向导通后的压降一般为0.7V（硅二极管）或0.2V(锗二极管）。不同的应用场景对应于不同的二极管简化模型。常用的模型有如下3中。
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二极管理想化模型
理想化模型将二极管完全抽象成理想的开关模型，当二极管反偏时，二极管的完全截止，流过二极管的电流为0；当二极管正偏时，二极管完全导通，二极管两端的压降为0。其伏安特性曲线如图4所示。
图4 二极管的理想模型
图4 中a为二极管的伏安特性曲线，红色实线部分为二极管的理想特性曲线，虚线部分为二极管真实的伏安特性曲线。在实际电路实际中如果电源电压远大于二极管的开通电压，二极管开通后流过的电流远大于开通之前的电流，一般都采用理想的二极管模型进行分析，以简化分析计算难度。图中b表示二极管理想模型的符号图。经常用理想模型进行电路分析的电路有大电流整流电路，还有用于数字开关器件的数字电路设计，如DDL（diode diode logic）电路分析等。如图5电路，当Us>> UD时，在电路分析和计算时UD可以忽略，因此在正向导通时可以近似认为UD=0V, UR=US, i=Us/R。
注：一般当Us是UD的5~10倍时，一般可以忽略UD的影响。
图5
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正向压降模型
当电源的电压不满足US>>UD 的条件时，应考虑二极管正向压降带来的影响。此时二极管的伏安特性曲线如图6所示，正向压降模型于理想模型非常类似，只是在理想模型的基础上将正向导通电流在电压轴向右平移UD。图6中b表示正向电压模型的符号图。
图6
例1： 图5中电源电压为1.5V，D1为硅二极管，R为2KΩ， 试计算uR，iR。
解：
根据例1给定条件分析和计算如下：
（1）Us=1.5V,大于二极管的开启电压，因此二极管D1处于导通状态。
（2）D1为硅二极管，二极管的导通压降约为0.7V
（3）Us不满足Us>>UD的条件，
根据上面的分析应采用图6所示的正向压降模型。 uR,iR的计算如下：
(1) uR=Us-UD≅1.5V-0.7V=0.8V
(2)iR=(Us-UD)/R≅ (1.5V-0.7V)/2000Ω=0.8/2000=0.0004A=0.4mA
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修正正向压降模型
当二极管正向电流较大，或二极管电路中的较小时，此时在二极管上的压降也会随着电流的变化而变化，如果继续采用正向压降模型，对计算精度会有影响，此时可以采用如图7所示的修正正向压降模型。如图所示的电路，当R较小(如小于100欧姆)时，二极管的仅用正向压降模型求解不够精确。可以采用二极管正向电压模型叠加一个电阻的等效电路，如图7(b)所示。
图7 修正正向压降模型
图7中可以测量和计算得到如图7所示的折线代替正向压降模型。
图8
测量电路如图8所示，改变Rw,分别测出前后两次UL的电压值，得：
uD=Us-UL (4)
ΔUD= (Us-UL1)-(Us-UL2)=UL2-UL1 (5)
根据电流公式 iD1 =UL1/(R+Rw1)，iD2=UL2/(R+Rw2)可得
ΔID=iD1-iD2
rD=ΔUD/ΔiD （6）
4. 二极管得交流等效模型
二极管的交流等效模型也称为微变等效模型，当二极管在正向导通时，二极管会在伏安特性曲线的某一点附近工作，如图9中的点（UD,ID)，该点称为二极管的静态工作点。如果该点的基础上叠加交流信号，二极管的电流和压降都会在静态工作点附近波动。此时二极管等效为一个动态的电阻，RD=ΔuD/ΔiD如图9中的切线（tangent line) 所示。切线值为RD的倒数。
图9
动态电阻也可以利用二极管反向饱和电流公式的导数进行求解：
RD=ΔuD/ΔiD ≅d(uD)/d(iD)=1/( d(iD)/d(uD) ); 首先求解倒数 d(iD)/d(uD) 得：
d(iD)/d(uD)= d(Is ( eu/UT -1）)/d(u) =(Is/UT) eu/UT =Is eu/UT /UT，由于二极管工作在（UD, ID）附近，因此有Is eu/UT /UT≅ ID/UT ，从而得到 公式（7），
RD≅UT/ID (7)
公式（7）中，常温下（T=300K）时，UT≅26mV, ID 可以通过二极管得外部电路确定。
例2：图10中得直流电压源的电压为3V，D为硅二极管（导通电压为0.7V），电阻R=1000欧姆。交流电压源为ui=0.2sinωt (V), 试分析计算二极管微变等效模型的动态电阻，并画出通路电流和电阻R上的电压波形。
图10
解：
（1）确定静态工作点， ID=(3v-0.7V)/1000=0.0023A=2.3mA,
（2）根据公式（7）中，常温下（T=300K）时，UT≅26mV， 计算得RD=26mV/2.3mA≅11.3Ω
（3）通路电流 i=(V+ui-0.7V)/(R+RD)=(3-0.7+0.2sinωt)/(1000+11.3)=(2.3+0.2sinωt)/1011.3=(2.27+0.198sinωt)mA
（4）电阻R上的电压UR=iR=1000*(2.3+0.2sinωt)/1011.3=(2.27+0.198sinωt)V
（5）通路电流和电阻R上的电压波形如图11，12所示。
图11
图12
习题：
（1）二极管电流可以从i = Is ( eu/UT -1）化简为 i ≅Is eu/UT 的条件是什么？
