1.2　半導體二極管

在PN結的外面裝上管殼，再引出兩個電極，就可以做成半導體二極管（以下稱為二極管）。圖1.7所示為二極管的圖形符號，其中正極（陽極）從P型區引出，負極（陰極）從N型區引出。

二極管的類型很多，從制造二極管的材料來分，有硅二極管和鍺二極管。從管子的結構來分，主要有點接觸型和面結型。點接觸型二極管的特點是PN結的面積小，因而，管子中不允許通過較大的電流，但是因為它們的結電容也小，可以在高頻下工作，適用于檢波電路。面接觸型二極管則相反，由于PN結的面積大，故允許流過較大的電流，但只能在較低頻率下工作，可用于整流電路。此外還有一種開關型二極管，適于在脈沖數字電路中作為開關管。幾種常用二極管的外形如圖1.8所示。

1.2.1　二極管的單向導電性

1.實驗觀察

按圖1.9所示電路連接電路圖，觀察兩個指示燈的發光情況，說明二極管的工作狀態。

用多媒體講課時，也可以用軟件仿真演示。

2.知識探索

實驗中當開關S閉合時，電源的正極接二極管VD1的正極，電源的負極通過指示燈L1接二極管VD1的負極。二極管的這種接法稱為正向接法或稱正向偏置（簡稱正偏）。

正向接法時，只要在二極管兩端加上一定的正向電壓（大于電位勢壘），即可得到較大的正向電流，所以指示燈發光。

實驗中當開關S閉合時，電源的正極接二極管VD2的負極，電源的負極通過指示燈L2接二極管VD2的正極。二極管的這種接法稱為反向接法或稱反向偏置（簡稱反偏）。反向接法時，電路中的反向電流很小（約等于零），所以指示燈不亮。

注意

在一定溫度下，當外加反向電壓超過某個值（大約零點幾伏）后，反向電流將不再隨著外加反向電壓的增加而增大，所以又稱為反向飽和電流，通常用符號IS表示。隨著溫度的升高，IS將急劇增大。

當二極管正向偏置時，所在電路中將產生一個較大的正向電流，二極管處于導通狀態；當二極管反向偏置時，所在電路中的反向電流非常小，幾乎等于0，二極管處于截止狀態。

歸納

二極管具有單向導電性。

1.2.2　二極管的伏安特性

二極管的性能可用其伏安特性來描述。二極管兩端電壓uD與流過的電流iD間的關系稱為伏安特性，二極管的伏安特性可用iD與uD之間關系的函數式iD=f（uD）來表示，也可用iD與uD之間的曲線來表示。

一個典型的二極管的伏安特性曲線如圖1.10所示。特性曲線分為兩部分：加正向電壓時的特性稱為正向特性（圖中右半部分）；加反向電壓時的特性稱為反向特性（圖中左半部分）。

1.正向特性

當加在二極管上的正向電壓比較小時，由于外電場不足以克服內電場對載流子擴散運動造成的阻力，所以正向電流很小，幾乎等于零。只有當加在二極管兩端的正向電壓超過某一數值時，正向電流才明顯地增大。正向特性上的這一數值（UD）通常稱為“導通電壓”或稱為“死區電壓”，如圖1.10所示。導通電壓的大小與二極管的材料以及溫度等因素有關。一般硅二極管的導通電壓為0.6～0.8V，鍺二極管的導通電壓為0.2～0.3V。

當正向電壓超過導通電壓以后，隨著電壓的升高，正向電流將迅速增大。電流與電壓的關系基本上是一條指數曲線。

根據半導體物理的原理，可用下式來近似描述二極管的伏安特性：

　　（1.1）

式中，IS為二極管的反向飽和電流；UT是溫度的電壓當量（在常溫下為26mV）。

2.反向特性

由圖1.10可見，當在二極管上加上反向電壓時，反向電流的值很小。而且當反向電壓超過零點幾伏以后，反向電流不再隨著反向電壓而增大，即達到了飽和，這個電流稱為反向飽和電流，用符號IS表示。如果使反向電壓繼續升高，當超過UBR以后，反向電流將急劇增大，這種現象稱為擊穿，UBR稱為反向擊穿電壓。

二極管發生擊穿的原因有兩種：一種是空間電荷層里的載流子在外加電壓的作用下，獲得了足夠的能量，和原子碰撞而產生新的載流子，這種過程不斷地進行，使得新產生的載流子雪崩式地增長，表現為反向電流急劇增大，二極管出現擊穿，這種擊穿稱為雪崩擊穿；另一種是對于摻雜濃度高的PN結，空間電荷層的寬度很薄，所以在較低的反向電壓下，空間電荷層中就有較強的電場，足以把空間電荷層里的半導體原子中的價電子從共價鍵中激發出來，使反向電流突然增大，出現擊穿，這種擊穿稱為齊納擊穿。擊穿電壓高于7V時為雪崩擊穿，擊穿電壓低于4V時為齊納擊穿。

注意

發生擊穿并不意味著二極管被損壞。實際上，當反向擊穿時，只要注意控制反向電流的數值，不使其過大，以免因過熱而燒壞二極管，則當反向電壓降低時，二極管的性能可以恢復正常。

提示

二極管反向擊穿分兩種：當二極管反向擊穿后，反向電流還不太大時，二極管的功耗不大，PN結的溫度沒有超過允許的最高結溫，二極管（PN結）仍不會損壞，一旦降低反向電壓，二極管仍能正常工作，這種擊穿是可逆的，稱為電擊穿；當發生電擊穿后，若仍繼續增加反向電壓，反向電流也隨之增大，管子會因功耗過大使PN結的溫度超過最高允許的溫度而燒壞，造成二極管的永久性損壞，這種擊穿是不可逆的，稱為熱擊穿。

1.2.3　二極管的主要參數

半導體（電子）器件的參數是其特性的定量描述，也是實際工作中根據要求選用器件的主要依據。各種器件的參數可由手冊查得。二極管的主要參數有以下幾個。

1.最大整流電流IF

指二極管長期運行時，允許通過管子的最大正向平均電流。IF的數值由二極管面積和散熱條件所決定。使用時，管子的平均電流不得超過此值，否則可能使二極管過熱而損壞。

2.最高反向工作電壓UR

工作時加在二極管兩端的反向電壓不得超過此值，否則二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常將擊穿電壓UBR的一半定為最高反向工作電壓UR。

3.反向電流IR

反向電流IR指在室溫條件下，在二極管兩端加上規定的反向電壓時，流過管子的反向電流。通常希望IR值愈小愈好。反向電流愈小，說明二極管的單向導電性愈好。此外，由于反向電流是由少數載流子形成的，所以IR受溫度的影響很大。

4.最高工作頻率fM

最高工作頻率fM主要決定于PN結結電容的大小。結電容愈大，則二極管允許的最高工作頻率愈低。

思考題

1.二極管有幾種結構類型？各適用于什么場合？

2.二極管的伏安特性曲線分為哪幾個部分？各有什么特點？

3.二極管導通電壓和擊穿電壓哪一個電壓較大？當溫度升高時，其導通電壓如何變化？

4.理想情況下，二極管在什么偏置下相當于一個開關的打開和閉合？

5.何時二極管會產生反向擊穿的現象？