1.2 半导体二极管

1.2.1 半导体二极管的基本结构与特性

1. 半导体二极管的结构

半导体二极管，简称二极管，其实质是由一个PN结封装而成的。二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管的结构，如图1.7（a）所示。这类管子的PN结面积和极间电容均很小，不能承受高的反向电压和大电流，适于制成高频检波和脉冲数字电路里的开关元件。

面接触型二极管的结构如图1.7（b）所示。这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，其极间电容大，适用于整流，而不宜用于高频电路中。如图1.7（c）所示是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。二极管的图形符号如图1.7（d）所示。

2. 半导体二极管的特性

半导体二极管由一个PN结构成，它同样具有单向导电性。理论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为 此式称为理想二极管电流方程。式中，IS称为反向饱和电流；UT 称为温度的电压当量，表明电流 I 会受温度影响，常温下UT≈26mV。实际的二极管伏安特性曲线如图1.8所示。

1）正向特性

OA段：称为“死区”。在这一区间，当正向电压增加时，正向电流增加得很小。在该区间，二极管呈现很大的正向电阻，对外电路截止。把A点对应的电压称为死区电压，记做Uth，其大小随管子材料和温度的不同而异，一般硅管约为0.5V，锗管为0.2V。

AB段：称为正向导通区。随着外加电压的继续增大，正向电流开始增大。当正向电压从0.6V增加到0.8V时，电流急剧增大，此时二极管电阻很小，对外呈现导通状态，在电路中相当于一个闭合的开关。

BC段：二极管导通后，管子两端的正向压降很小（硅管为0.7V，锗管为0.3V），而且很稳定，几乎不随电流而变化，表现出很好的恒压特性。所加的正向电压不能太大，否则会使PN结过热而烧坏。

2）反向特性

OD段：称为反向截止区。当反向电压增加时，反向电流增加极小。此电流称为反向饱和电流，记做IS。IS愈大，表明二极管的单向导电性能愈差。小功率硅管IS小于1μA，锗管IS在几微安到几十微安以上，这是硅管和锗管的一个显著区别。这时二极管呈现很高的电阻，在电路中相当于一个断开的开关，呈截止状态。

DE段：称为反向击穿区。当反向电压增加到一定值时，反向电流急剧加大，这种现象称为反向击穿。发生击穿时所加的电压称为反向击穿电压，记做UB。这时电压的微小变化会引起电流很大的变化，表现出很好的恒压特性。同样，若对反向击穿后的电流不加以限制，PN结也会因过热而烧坏，这种情况称为热击穿。

3. 温度特性

二极管对温度敏感，具有热敏特性。温度对二极管伏安特性的影响如图1.9所示。

（1）当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动。这是因为温度升高时，扩散运动加强，产生同一正向电流所需的压降减小的缘故。

（2）当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动。这是因为温度升高时，本征激发加强，半导体中少子数目增多，在同一反向电压下，漂移电流增大的缘故。

（3）当温度升高时，反向击穿电压减小。击穿现象是由于大的反向电流使少数载流子获得很大的动能，当它与PN结内的原子发生碰撞时，产生了很多的电子-空穴对，使PN结内载流子数目急剧增加，并在反向电压作用下形成很大的反向电流。温度升高时，反向击穿电压减小。

综上所述，温度升高时，二极管的导通压降UF降低，反向击穿电压UB减小，反向饱和电流IS增大。

4. 半导体二极管的主要参数

二极管的参数是定量描述二极管性能的质量指标，只有正确理解这些参数的意义，才能合理、正确地使用二极管。

（1）最大整流电流IF。最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。电流通过PN结时会引起二极管发热。电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如，2AP1的最大整流电流为16mA。

（2）反向击穿电压UB。反向击穿电压是指反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，使二极管的单向导电性被破坏，甚至会因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。例如，2AP1的最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿电压可大于40V。

（3）反向饱和电流IS。在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向饱和电流。该电流越小，二极管的单向导电性能就越好。由于温度升高，反向电流会增加，因而在使用二极管时要注意环境温度的影响。

二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号二极管的参数。在使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则二极管容易损坏。

1.2.2 硅稳压二极管

1. 稳压特性

硅稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，其伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路如图1.10所示，它的正向特性曲线与普通二极管相似。在正常情况下稳压管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，因而具有稳压作用。图1.10中的UZ表示反向击穿电压，当电流的增量ΔIZ很大时，只引起很小的电压变化ΔUZ。只要反向电流不超过其最大稳定电流，就不会形成破坏性的热击穿。在电路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻。

2. 基本参数

硅稳压二极管的基本参数如下。

（1）稳定电压UZ。稳定电压UZ是指在规定的测试电流下，稳压管工作在击穿区时的稳定电压。

（2）稳定电流 IZ。稳压电流 IZ是指稳压管在稳定电压时的工作电流，其范围为IZmin～ IZmax。

（3）最大耗散功率PM。最大耗散功率PM是指管子工作时允许承受的最大功率。

（4）动态电阻rZ。定义，rZ值很小，约几欧到几十欧。rZ越小，反向击穿特性曲线越陡，稳压性能就越好。

1.2.3 其他类型的二极管

1. 光电二极管

光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，只是在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。光电二极管的PN结在反向偏置状态下运行，其反向电流随光照强度的增加而上升。如图1.11（a）所示是光电二极管的图形符号，如图1.11（b）所示是它的等效电路，而如图1.11（c）所示是它的特性曲线。光电二极管的主要特点是其反向电流的大小与光照度成正比。

2. 发光二极管

发光二极管是一种能把电能转换为光能的特殊器件。发光二极管不仅具有普通二极管的正、反向特性，而且当给发光二极管施加正向偏压时，发光二极管还会发出可见光和不可见光（即电致发光）。目前应用的有红、黄、绿、蓝、紫等颜色的发光二极管。此外，还有变色发光二极管，即当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变。

发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件。发光二极管的另一个重要的用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。

3. 变容二极管

二极管结电容的大小除了与本身的结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管，其图形符号如图1.13（a）所示，如图1.13（b）所示是某种变容二极管的特性曲线。