一、二极管的正偏和反偏
二极管的正偏和反偏实际说的是PN结的正偏和反偏，因此我们重点讲解PN结的正偏和反偏。
正偏就是在PN结的P端接电源正极，在N端接电源负极。当从 P 区外部接入电源正极、N 区外部接入电源负极时，外部电场会持续抵消 PN 结的内建电场。一旦外部电压的 “推动力” 超过内电场的 “阻滞力”，内电场对多数载流子（P 区空穴、N 区电子）扩散运动的束缚便会彻底瓦解：大量空穴将从 P 区向 N 区定向移动，大量电子也会从 N 区向 P 区逆向迁移，两类载流子在扩散路径中不断碰撞复合，由此形成显著的正向电流，此时 PN 结进入完全导通状态。如图2所示。
图 2 PN结正偏
反偏是指给PN结施加反向电压（即P区接电源负极，N区接正极）的工作状态。PN结反偏连接时，外加电场方向与内建电场方向一致，导致耗尽层（空间电荷区）变宽，多数载流子（P区空穴、N区电子）被拉向电源极，难以跨越势垒，PN结处于不导通状态。只有极小的反向饱和电流（由少数载流子漂移运动产生）。反向饱和电流极小（纳安级），基本不随电压变化。若电压超过击穿电压（雪崩击穿/齐纳击穿），电流则会急剧增大。
二、二极管的结构和符号
将 PN 结用塑料 、玻璃或金属外壳封装后 ，从 P 区 、N 区分别引出电极就制成了二极管。 根据二极管管芯结构的不同可分为点接触型 、面接触型和平面型几种 ，其结构和符号如图3所示。
图 3二极管不同的封装结构
二极管的电路符号如图4所示。
图 4二极管电路符号
二极管在电路图中用字母D表示，这个简称来源于它的英文名称Diode。
三、 二极管的伏安特性
加在二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系就称为二极管的伏安特性。描述其关系的曲线称为伏安特性曲线 ，如图5所示 。
图 5二极管伏安特性曲线
由二极管的伏安特性曲线可以看出 ，当加在二极管两端的电压 UD 由零开始增大时 ，在正向电压较小的范围内 ，正向电流很小 ，如图中 O A 段 ，我们把此范围叫做死区 ，相应的电压叫死区电压。 其中，硅二极管的死区电压为0.5V 左右 ，锗二极管的死区电压为 0.2V 左右。当 UD 大于死区电压后 ，正向电流迅速增加 ，二极管呈导通状态 ，如图中 A B 段，我们把此范围叫做正向导通区 。 在正向导通区的管子两端的压降变化不大 ，硅管为 0.７ V 左右 ，锗管约为0.3 V 左右 。 当给二极管加反向电压时 ，在很大的范围内反向电流很小且不随反向电压的变化而变化 ，二极管呈截止状态 ，如图中 OC 段 ，此范围叫做反向截止区 。 继续加大反向电压 ，当大到一定数值时 ，反向电流迅速增大 ，管子进入反向击穿状态 ，如图中 CD 段 ，此区域叫做反向击穿区 ，此数值称为反向击穿电压 。 因为二极管在较大的反向电流作用下是很容易损坏的 ，所以一般普通的二极管应避免工作在反向击穿区 。
大于死区电压之后才会导通 ，加反向电压时管子处于截止状态 ，我们把这一特性称为二极管的单向导电性 。
四、二极管伏安特性仿真实验
我们使用Proteus完成电路仿真实验，Proteus是一款集原理图设计、电路仿真、PCB 设计等多功能于一体的电子设计自动化（EDA）软件，从高校电子专业的课堂到电子研发企业的实验室，无数电子爱好者、学生和工程师都在使用proteus。
步骤1：创建新工程
Proteus新工程创建方法见《第一个LED实验》。
步骤2：准备仿真电子元件和实验仪器。
仿真电子元件查找步骤见《第一个LED实验》，本实验使用的仿真电子元件为二极管（DIODE）。实验仪器为直流激励电源（DC）和直流扫描分析仪（DC SWEEP）。
直流激励电源（DC）属于激励源模式，该模式为为电路仿真提供各类输入信号(如直流电压、正弦波信号、脉冲信号等)。
- 单击工具箱Generator Mode图标；
- 选择DC项；
- 鼠标移动到绘图窗口，此时光标变为铅笔形；
- 在绘图窗口合适的位，单击鼠标左键放置直流激励电源(DC)。
图 6 引入直流激励电源(DC)到电路绘制窗口
直流扫描分析仪（DC SWEEP）属于图表模式，用于电路仿真数据可视化与分析（如直流扫描分析、模拟分析等）。
- 单击工具箱Graph Mode图标；
- 选择DC SWEEP项；
- 鼠标移动到绘图窗口，此时光标变为铅笔形；
- 在绘图窗口合适的位，单击鼠标左键放置直流扫描分析仪(DC SWEEP)。
图 7引入直流扫描分析仪到电路绘图窗口
步骤3：绘制实验电路
实验电路绘制步骤见《第一个LED实验》。绘制后的实验电路如图8所示。
图 8 绘制完成的实验电路
在电路上加入电流探针
电流探针用于测量模拟电路流过的电流，可实时探测电流的方向与大小，常用于电源电路、放大器电路等需要观测电流参数的场景。本实验使用电流探针来获取在不同电压下流过二极管的电流大小，将测量的值与DC SWEEP关联，让DC SWEEP动态显示电压和电流变化曲线，观察曲线是否符合二极管伏安特性曲线。
- 单击工具箱Probe Mode图标；
- 选择CURRENT项；
- 鼠标移动到绘图窗口，此时光标变为铅笔形；
- 在绘图窗口合适的位，单击鼠标左键放置电流探针（CURRENT）。
图 9引入电流探针到电路绘图窗口
- 将电流探针放置到直流激励电源与二极管的接线电路上，放置方法见图10。
图 10电流探针放置准备探测的电路上
- 编辑直流激励电源属性，配置电压为800m（0.8V），如图11所示。
图 11配置直流激励电源为800毫伏
- 配置电流探针的名称为“DC(A)”
- 仿真运行电路，若电路连接正确、探针放置正确，探针一侧会显示流过的电流大小。如图12所示。
图 12运行仿真电路，观察探测的电流
步骤4：配置DC SWEEP
编辑DC SWEEP属性。
图 13 DC SWEEP属性对话框
对话框中包含如下设置内容：
Graph title：图表标题。
Sweep variable：扫描变量，本实验扫描直流激励电源，直流激励电源的名称为V，因此扫描设置为V。
Start value：扫描变量起始值，这里设置从-800mV开始
Stop value：扫描变量终止值，这里设置800mV结束。
Nominal value：标称值，设置为0即可。
No.steps：一次扫描增加的数值，这里设置为50，每次扫描，扫描变量会增加50mV，直至800mV停止扫描。
Left Axis Label：左边坐标轴标签。
Right Axis Label：右边坐标轴标签。
根据电路实际需要设置直流扫描分析图表，编辑完成后，单击“OK”按钮完成设置。
步骤5：编辑直流激励电源属性
双击直流激励电源符号，打开属性设置对话框。如图14所示。
- 选择Manual Edits；
- 设置电压值为变量V；
- 单击“OK”按钮保存更改。
图 14直流激励电源属性对话框
步骤6：添加电流探针到DC SWEEP
在进行DC SWEEP分析时，可以添加多个电流探针，添加步骤如下：
- 用鼠标选择DC SWEE分析仪，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Add Trace”命令，或按下Ctrl+T键，弹出“Add Transient Trace”对话框；
- 下拉第一个“Probe P1”列表框，选择电流探针的名称；
- 单击“OK”按钮保存更改。
图 15Add Transient Trace
添加电流探针到DC SWEEP后，DC SWEEP界面如图16所示。
图 16已添加电流探针的DC SWEEP界面
步骤7：仿真运行电路
针对分析仪器的仿真，Proteus专门提供了针对分析仪器的仿真命令。展开“Gyaph”菜单，在列出的菜单中选择“simulate Graph”项或按下Space键，或者鼠标选择DC SWEEP，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“simulate Graph”项，都会启动分析仪器的仿真。仿真运行图表如图17所示。
图 17 二极管的正向伏安特性曲线
从图17可以看出，二极管从0.7V开始随着电压的增加，电流逐步增大，电流的增长速度与电压的增长速度为非线性关系，电流增长迅速，电压增长缓慢。
普通硅二极管的反向击穿电压为100V，在电路中，将二极管反接，配置DC SWEEP从99V到101v，间隔设置为50，会显示完整的反向伏安特性曲线，包含反向截止区（微小漏电流）和陡峭的击穿区（电流急剧上升）。若间隔设置为1，由于电压步进过小（仅0.04V/步），击穿区特性被线性化，表现为斜直线，这种设置会丢失非线性特征，适用于观察局部线性区域的微小变化。
因此，在使用DC SWEEP分析电压和电流的关系时，要注意设置起始电压、终止电压、间隔值。
图 18二极管反向伏安特性曲线
五、查阅二极管的参数
在Proteus中，查阅二极管的参数非常方便，用鼠标双击二极管元件，打开二极管属性对话框，在属性对话框内会显示二极管相关参数。
二极管参数解读：
(IS=2E-9)：反向包含电流，表示PN结在反向偏压下的漏电流，2E-9为2nA，该参数直接影响二极管的反向功耗和温度稳定性。
(RS=0.03Ω)：阻值特性，反映二极管内部材料的阻值，30mΩ的数值表明导通损耗较低。该参数会影响大电流工作时的正向压降特性。
(N=2)：发射系数，描述二极管I-V特性的理想程度，数值2表示存在复合电流效应。典型硅二极管一般在1-2之间。
(TT=6E-6s)：渡越时间，6μs的载流子渡越时间表明这是中速恢复二极管。该参数影响开关速度和反向恢复特性。
结电容参数：零偏压结电容CJO=20pF，结电势VJ=0.75V，梯度系数M=0.333，这些参数决定高频特性与开关损耗。
反向击穿特性：击穿电压BV=100V，对应电流IBV=100μA，该参数定义二极管的最大反向工作电压。