1.2　半導體二極管

1.2.1　二極管的結構與分類

1.二極管的結構

半導體二極管是由一個PN結作管芯，再加上接觸電極、相應的外引線，然后用塑料、玻璃或鐵皮等材料做外殼封裝而成。

常用的幾種半導體二極管的結構示意圖和圖形符號如圖1.7所示。由二極管P區引出的電極叫陽極，由N區引出的電極叫陰極。圖形符號中的箭頭表示正向電流的方向。正向電流從二極管的陽極流入，陰極流出。

2.二極管的分類

二極管有許多類型：根據所用半導體材料不同，有硅二極管、鍺二極管；按用途分有普通型（如整流二極管）和特殊型（如穩壓二極管、光電二極管、發光二極管和開關二極管）等；從制作工藝上分為點接觸型和面接觸型。具體型號可查閱相關的半導體器件手冊。下面從二極管的制作工藝來分析二極管的結構。

（1）點接觸型二極管

如圖1.8（a）所示，它是用一根含雜質元素的金屬絲壓在半導體晶片上，經特殊工藝和方法，使金屬絲上的雜質摻入到晶片中，從而形成導電類型與原晶片不同的區域，即PN結。因為PN結面積小，所以允許通過的電流小，但結電容小，工作頻率高，適用于高頻和小電流的檢波電路。

（2）面接觸型二極管

如圖1.8（b）所示，在N型硅片襯底中摻入P型硅，那么，在兩者的交界面形成擴散層（即PN結），由于PN結接觸面積較大，允許通過較大電流，但PN結電容較大，一般適用于低頻和大功率的場合，常用作整流器件。

圖1.8（c）所示為硅工藝平面型二極管結構圖，是集成電路中常見的一種形式。

1.2.2　二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指二極管兩端所加的電壓與通過二極管的電流之間的關系特性。根據實驗可得普通二極管的伏安特性曲線，如圖1.9所示。其數學表達式為

式中，IS為PN結的反向飽和電流；UT=kT/q稱為溫度的電壓當量，其中k為玻耳茲曼常數（k=1.38×10-23J/K），T為熱力學溫度，q為電子電量（q=1.602×10-19C），在常溫下（T=300K）時，UT≈26mV。

1.正向特性

當二極管承受正向電壓很低時，還不足以克服PN結內電場對多數載流子擴散運動所造成的阻力，二極管呈現很大的正向電阻，正向電流IF很小，幾乎等于零，該區段稱為死區，相應的電壓叫死區電壓（又稱門檻電壓）。通常，硅材料二極管的死區電壓約為0.5V，鍺材料二極管的死區電壓約為0.2V。

當正向電壓超過死區電壓值時，外電場抵消了內電場，正向電流逐漸增大，因此，死區電壓也稱為開啟電壓。在小電流時，正向電流隨著電壓的增加按指數規律變化；當二極管完全導通后，電流按直線的規律變化，而正向壓降基本維持不變，此壓降稱為二極管正向導通壓降（UF），一般普通硅管的UF約為0.7V，普通鍺管的UF約為0.3V。

2.反向截止特性

當二極管承受反向電壓時，外電場與內電場方向一致，只有少數載流子的漂移運動，形成很小的反向電流，稱為漏電流（IR），此時，二極管呈現很大的反向電阻而處于截止狀態，故這種特性稱為反向截止特性。從圖1.9中可看出：反向電壓在很大范圍內變化，而反向電流基本不變。

3.反向擊穿特性

當二極管反向電壓增大到某一數值時，反向電流將急劇增大，這種現象稱為二極管反向擊穿，此時的反向電壓稱為反向擊穿電壓。由圖1.9可見：該區域電壓基本保持不變，而電流變化很大。在反向擊穿狀態下，會造成大多數二極管永久性損壞。因此，一般二極管不允許反向擊穿，但穩壓管正是利用此特性來實現穩壓功能的。

1.2.3　二極管的主要參數

二極管的參數是反映二極管性能的定量指標，是正確使用和合理選擇二極管的依據。二極管的主要參數有：

1.最大整流電流IFM

最大整流電流也叫最大正向電流，它是指二極管長期工作時允許通過的正向平均電流值，用IFM表示。工作時，二極管通過的電流不應超過這個數值，否則將導致二極管過熱而燒毀。為了確保二極管正常工作，對于大功率二極管還要按手冊上要求加裝合格的散熱片，有些二極管甚至采用風冷、水冷或油冷，以滿足散熱要求。

2.最高反向工作電壓URM

最高反向工作電壓是指二極管不擊穿時所允許加的最高反向電壓的峰值。最高反向工作電壓URM通常為反向擊穿電壓的1/2～2/3，以確保二極管安全工作。

3.最大反向電流IRM

最大反向電流是指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向電流，一般很小，但其受溫度影響較大，當溫度升高時，IRM顯著增加。其數值越小，反映該二極管的單向導電性能越好。

4.最高工作頻率fM

最高工作頻率是指保持二極管單向導通性能時外加電壓的最高頻率。二極管工作頻率fM與PN結的極間電容大小有關，容量越小，工作頻率越高。二極管的參數很多，除了上述主要參數外還有結電容、正向壓降等，在實際應用時，可查閱半導體器件手冊。下面列出幾種類型二極管的主要技術參數，如表1.1所示。

1.2.4　其他特殊二極管

除了前面介紹的普通二極管以外，還有許多特殊用途的二極管。例如，穩壓二極管、發光二極管和光電二極管等。

1.穩壓二極管

穩壓二極管是半導體二極管中的一種，其正常工作在反向擊穿區。在電路中它與適當的電阻配合，具有穩定電壓的作用，故又稱為穩壓管。穩壓管的圖形符號和伏安特性曲線如圖1.10所示。

從圖1.10（b）中可看到：當電壓增加到反向擊穿電壓時，反向電流突然增加，穩壓管擊穿后，電流在相當大的范圍內變化，而穩壓管兩端電壓的變化卻很小，只要反向電流被限制在一定范圍內穩壓管就不會損壞，當外加反向電壓消失以后，穩壓管仍能恢復單向導電性。穩壓管就是利用以上特點來穩定電壓的。

穩壓管的主要技術參數如下：

（1）穩定電壓UZ

穩定電壓是穩壓管在正常的反向擊穿工作狀態下兩端的電壓。由于制造工藝的分散性，同一型號的穩壓管其穩壓值大小有所不同，這里給出的UZ是一個范圍值，使用時要進行測試，按需要挑選。

（2）穩定電流IZ

穩定電流是指穩壓管工作在穩定電壓時的工作電流值。一般來說，穩定電流略大于最小工作電流，但在選用穩壓管時，可以把穩定電流看作最小電流。

（3）最大穩定電流IZM

最大穩定電流是指穩壓管正常工作時允許通過的最大反向電流。穩壓管使用時，其工作電流不能超過最大穩定電流。

（4）動態電阻rZ

動態電阻是衡量穩壓管穩壓性能好壞的指標。它是指穩壓管正常工作時，電壓變化量與電流變化量之比，即。動態電阻越小，穩壓效果越好。

（5）最大允許耗散功率PZM

最大允許耗散功率是指穩壓管不會產生熱擊穿時所消耗的最大功率，其值等于穩壓管的最大工作電流IZM與相應的工作電壓UZ的乘積。

部分穩壓二極管的主要技術參數如表1.2所示。

2.發光二極管

發光二極管的外形和圖形符號如圖1.11所示。它是一種將電能直接轉換成光能的固體器件，簡稱LED（Light Emitting Diode）。發光二極管和普通二極管相似，也由一個PN結組成。發光二極管在正向導通時，由于空穴和自由電子的復合而放出能量，發出一定波長的可見光，光的波長不同，顏色也不同，常用的有紅、黃、綠等顏色。還有發出不可見光的發光二極管。

發光二極管和普通二極管的伏安特性相似，只是在開啟電壓和正向特性的上升速率上略有差異。當所施加正向電壓未達到開啟電壓時正向電流幾乎為零，但一旦超過開啟電壓時，電流急劇上升。發光二極管的開啟電壓通常稱為正向電壓，它取決于制作材料的禁帶寬度。例如，GaAsP紅色的LED約為1.7V，而GaP綠色的LED約為2.3V。

幾種常用的發光二極管的主要參數如表1.3所示。

3.光電二極管

光電二極管又稱為光敏管或光電管，它是將光信號轉換成電信號的器件。從結構上，光電二極管與普通二極管的主要區別在于PN結面積較大，上電極較小，利于接受光的照射以提高光電轉換效率。其外形和圖形符號如圖1.12所示。

當光線照射在PN結上時，如果光子的能量足夠大，在PN結附近激發出電子-空穴對，原載流子的動態平衡被打破，電子和空穴在內電場作用下做定向漂移運動，即P區的自由電子向N區移動，N區的空穴向P區移動，若將兩端短路，便形成短路光電流，短路光電流與光的照度成正比。如果光的照度發生改變，電子-空穴對的濃度也相應改變，光電流強度也隨之改變。

光電二極管正向伏安特性與普通二極管相似，反向特性受光照控制。因此，光電二極管一般加反向偏置電壓，利用反向飽和電流隨光照強弱變化而變化的特性進行工作。但使用時不應超過其允許的最高反向工作電壓。

光電二極管的種類很多。按制作材料來分，有硅光敏二極管（2CU、2DU類），鍺光敏二極管（2AU類）等；按對光波波長響應分，有紅外、紫外、藍光等；按結構類型分，有PN結、PIN結、肖特基勢壘型和雪崩型（APD）等。

光電二極管的主要技術參數有：

①暗電流ID：是指在無光照的條件下，光電二極管兩端加上規定的反向工作電壓時的反向漏電流。

②靈敏度Sn：是指在給定波長的入射光下，輸入單位光功率時光電二極管輸出的強度。

③最高工作電壓URM：是指在無光照時，光電二極管所允許加的最高反向電壓。

④光電流IL：是指在規定的光照條件下，光電二極管加上一定數值反向工作電壓時，光子流過的電流。光電流主要受光照的影響，受環境溫度的影響不大，幾乎不受外加電壓的影響。