1.2 半導體二極管

1.2.1 二極管的結構類型

半導體二極管實際上就是由一個 PN 結外引兩個電極構成的。半導體二極管按材料的不同可分為硅二極管和鍺二極管；按結構不同又可分為點接觸型、面接觸型和平面型三類。

1.點接觸型二極管

點接觸型二極管如圖1.11（a）所示。點接觸型是用一根細金屬絲和一塊半導體熔焊在一起構成 PN 結的，因此 PN 結的結面積很小，結電容量也很小，不能通過較大電流；但點接觸型二極管管的高頻性能好，常常用于高頻小功率場合，如高頻檢波、脈沖電路及計算機里的高速開關元件。

2.面接觸型二極管

面接觸型二極管如圖1.11（b）所示。面接觸型二極管一般用合金方法制成較大的PN結，由于其結面積較大，因此結電容量也大，允許通過較大的電流（幾安至幾十安），適宜用作大功率低頻整流器件，主要用在把交流電變換成直流電的“整流”電路中。

3.平面型二極管

平面型二極管如圖1.11（c）所示。這類二極管采用二氧化硅作保護層，可使PN結不受污染，而且大大減少了 PN 結兩端的漏電流，由于半導體表面制作得很平整，故而得名平面型二極管。平面型二極管的質量較好，批量生產中產品性能比較一致。平面型二極管結面積較小的用作高頻管或高速開關管，結面積較大的用作大功率調整管。

目前，大容量的整流元件一般都采用硅管。二極管的型號中，通常硅管用C表示，如2CZ31表示用N型硅材料制成的管子型號；鍺管一般用A表示，如2AP1表示用N型鍺材料制成的管子型號。

普通二極管的電路符號如圖1.11（d）所示，P區引出的電極為正極（陽極）,N區引出的電極為負極（陰極）。

1.2.2 二極管的伏安特性

二極管的伏安特性曲線如圖1.12所示。

觀察二極管的伏安特性曲線，當二極管兩端的正向電壓較小時，通過二極管的電流基本為零。這說明：較小的正向電壓電場還不足以克服 PN 結內電場對擴散運動的阻擋作用，二極管仍呈現高阻態，基本上處于截止狀態，我們把這段區域稱為死區。通常硅管的死區電壓約為0.5V，鍺管的死區電壓約為0.1V。

繼續觀察二極管的特性曲線。當外加正向電壓超過死區電壓后，PN 結的內電場作用將被大大削弱或抵消，此時二極管導通，正向電流由零迅速增長。處于正向導通區的普通二極管，正向電流在一定范圍內變化時，其管壓降基本不變，硅管為0.6～0.8V，其典型值通常取0.7V；鍺管為0.2～0.3V，其典型值常取0.3V，這些數值表明二極管的正向電流大小通常取決于半導體材料的電阻。在二極管的正向導通區（死區電壓至導通壓降的一段電壓范圍），二極管中通過的正向電流與二極管兩端所加正向電壓具有一一對應關系，正向導通區內二極管兩端所加電壓過高時，必然造成正向電流過大使二極管過熱而損壞，所以二極管正偏工作時，通常需加分壓限流電阻。

觀察二極管的反向伏安特性。在外加反向電壓低于反向擊穿電壓UBR的一段范圍內，二極管的工作區域稱為反向截止區。在反向截止區內，通過二極管的反向電流是半導體內部少數載流子的漂移運動形成的，只要二極管工作環境的溫度不變，少數載流子的數量就保持恒定，因此少子又被稱為反向飽和電流。反向飽和電流的數值很小，在工程實際中通常近似視為零值。但是，半導體少子構成的反向電流對溫度十分敏感，當由于光照、輻射等原因使二極管所處環境溫度上升時，反向電流將隨溫度的增加而大大增加。

反向電壓繼續增大至超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流會突然驟然劇增，特性曲線向下驟降，二極管失去其單向導電性，進入反向擊穿區。二極管進入反向擊穿區將發生電擊穿現象，由于電擊穿的過程通?？赡妫灰O置某種保護措施限制二極管中通過的反向電流或降低加在二極管兩端的反向電壓，二極管一般不會造成永久損壞。但是在不采取任何措施的情況下繼續增大反向電壓，反向電流將進一步驟增，致使消耗在二極管 PN 結上的功率超過PN 結所能承受的限度，這時二極管將因過熱而燒毀，這種破壞現象稱二極管發生熱擊穿，熱擊穿過程不可逆，極易造成二極管的永久損壞。

綜上所述，二極管的特性曲線共分為4個區：死區、正向導通區、反向截止區和反向擊穿區。

1.2.3 二極管的主要技術參數

二極管的參數很多，有些參數僅僅表示管子性能的優劣，而另一些參數則屬于至關重要的極限參數，熟悉和理解二極管的主要技術參數，可以幫助我們正確使用二極管。

1.最大耗散功率Pmax

二極管的最大允許耗散功率用它的極限參數Pmax表示，數值上等于通過管子的電流與加在管子兩端電壓的乘積。過熱是電子器件的大敵，二極管能耐受住的最高溫度決定它的極限參數Pmax，使用二極管時一定要注意，不能超過此值，如果超過則二極管將燒損。

2.最大整流電流IDM

在實際應用中，二極管工作在正向范圍時的壓降近似為一個常數，所以它的最大耗散功率通常用最大整流電流 IDM表示。最大整流電流是指二極管長期安全使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流值，也是二極管的重要參數。

點接觸型二極管的最大整流電流通常在幾十毫安以下；面接觸型二極管的最大整流電流可達100毫安；對大功率二極管而言可達幾安。在二極管使用過程中，電流若超出此值，可能引起PN結過熱而使管子燒壞。因此，大功率二極管為了降低結溫，增加管子的負載能力，通常都要把管子安裝在規定散熱面積的散熱器上使用。

3.最高反向工作電壓URM

最高反向工作電壓 URM是指二極管反向偏置時，允許加的最大電壓瞬時值。若二極管工作時的反向電壓超過了 URM值，二極管有可能被反向擊穿而失去單向導電性。為確保安全，手冊上給出的最高反向工作電壓 URM通常為反向擊穿電壓的50%～70%，即留有余量。

4.反向電流IR

二極管未擊穿時的反向電流值稱為反向電流IR。IR值越小，二極管的單向導電性越好。反向電流IR隨溫度的變化而變化較大，這一點要特別加以注意。

5.最高工作頻率fM

最高工作頻率fM的值由PN結的結電容大小決定。二極管的工作頻率若超過該值，則二極管的單向導電性能變差。

除上述參數外，二極管的參數還有最高使用溫度、結電容等。在實際應用中，要認真查閱半導體器件手冊，合理選擇二極管。

1.2.4 二極管的應用

幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導體二極管，二極管是誕生最早的半導體器件之一，在許多電路中都起著重要的作用，應用范圍十分廣泛。

1.二極管整流電路

利用二極管的單向導電性，可以把交變的正弦波變換成單一方向的脈動直流電。

圖1.13（a）為一個單相半波整流電路。圖中變壓器Tr的輸入電壓為單相正弦交流電壓，波形如圖1.13（b）所示。變壓器的輸出端和二極管VD相串聯后與負載電阻RL相接。由于二極管的單向導電性，只有變壓器Tr的輸出電壓正半周大于死區的部分，才能使二極管VD導通，其余輸出均被二極管阻斷，因此，負載RL上獲得的電壓是如圖1.13（c）所示的單向半波整流，電路實現了對輸入的半波整流。

圖1.14（a）為單相全波整流電路。圖1.14（b）是電路輸入的正弦交流電壓波形。

當變壓器 Tr 輸出正半周時，二極管 VD1導通、VD2截止，電流由變壓器次級上引出端→VD1→負載RL→回到變壓器次級中間引出端，RL上得到了第一個輸出電壓正向半波；變壓器Tr輸出負半周時，二極管VD2導通、VD1截止，電流由變壓器次級下引出端→VD2→負載RL→回到變壓器次級中間引出端，RL上得到了第二個輸出電壓正向半波。如此不斷循環往復，負載RL兩端就得到一個如圖1.14（c）所示的單向整流電壓，實現了對輸入的全波整流。

圖1.15（a）所示為橋式全波整流電路。圖1.15（b）所示為電路輸入的正弦交流電壓波形。

當變壓器Tr輸出正半周時，二極管VD1、VD3導通，VD4、VD2截止，電流由變壓器次級上引出端→VD1→負載RL→VD3→回到變壓器次級下引出端，RL上得到了第一個輸出電壓正向半波；變壓器Tr輸出負半周時，二極管VD2、VD4導通，VD3、VD1截止，電流由變壓器次級下引出端→VD2→負載RL→VD4→回到變壓器次級上引出端，RL上得到了第二個輸出電壓正向半波。如此不斷循環往復，負載RL兩端就得到一個如圖1.15（c）所示的單方向的輸出電壓，從而實現了對輸入的全波整流。

2.二極管鉗位電路

圖1.16為二極管鉗位電路，此電路利用了二極管正向導通時壓降很小的特性。限流電阻R的一端與直流電源U（+）相連，另一端與二極管陽極相連，二極管陰極連接端子為電路輸入端A，陽極向外引出的F點為電路輸出端。

當圖中A點電位為0時，二極管VD正向導通，按理想二極管來分析，即二極管正向導通時壓降為0，則輸出端F的電位被鉗制在0伏，VF≈0。若A點電位較高，不能使二極管導通時，電阻上無電流通過，輸出端F的電位就被鉗制在U（+）。

3.二極管雙向限幅電路

在圖1.17所示的二極管雙向限幅電路中，二極管正向導通后，其正向壓降基本保持不變（硅管為0.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，二極管在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內。利用二極管正向導通時壓降很小且基本不變的特點，還可以組成各種限幅電路。

【例1.1】 圖1.17（a）為二極管雙向限幅電路。已知u i=1.41sinωtV，圖中VD1、VD2均為硅管，導通時管壓降UD=+0.7V。試畫出輸出電壓uo的波形。

【解】由圖1.17（a）可知，ui＞UD時，二極管VD1導通、VD2截止，輸出uo=UD= +0.7V；當ui＜ ?UD時，二極管VD2導通、VD1截止，輸出uo= ?UD= ?0.7V；當輸入電壓在±0.7V之間時，兩個二極管都不能導通，因此，電阻R上無電流通過，uo=ui。

由上述分析結果可畫出輸出電壓波形如圖1.17（b）所示。顯然，圖示電路中的兩個二極管起到了將輸出限幅在±0.7V的作用。

除此之外，二極管還應用于檢波、元件保護以及在脈沖與數字電路中用作開關元件等?？傊?，電子工程實用中，二極管的應用很廣，在此不一一贅述了。

1.2.5 特殊二極管

1.穩壓二極管

穩壓二極管是電子電路特別是電源電路中常見的元器件之一。與普通二極管不同的是，穩壓管的正常工作區域是反向齊納擊穿區，故而也稱其為齊納二極管，實物及圖符號如圖1.18所示。由于穩壓二極管的反向擊穿可逆，因此工作時不會發生“熱擊穿”。

穩壓二極管是由硅材料制成的特殊面接觸型晶體二極管，其伏安特性與普通二極管相似，如圖1.19所示。圖示穩壓管的反向擊穿特性比較陡直，說明其反向電壓基本不隨反向電流變化而變化，這就是穩壓二極管的穩壓特性。

由穩壓管的伏安特性曲線可看出：穩壓二極管反向電壓小于其穩壓值UZ時，反向電流很小，可認為在這一區域內反向電流基本為0。當反向電壓增大至其穩壓值UZ時，穩壓管進入反向擊穿工作區。在反向擊穿工作區，通過管子的電流雖然變化較大（常用的小功率穩壓管，反向工作區電流一般為幾毫安至幾十毫安），但管子兩端的電壓卻基本保持不變。利用這一特點，把穩壓二極管接入穩壓管穩壓電路，只要輸入反向電壓在超過 UZ的范圍內變化，負載電壓則一直穩定在UZ，如圖1.20所示。

圖1.20中，R為限流電阻，RL為負載電阻，當電源電壓波動或其他原因造成電路各點電壓變動時，穩壓管可保證負載兩端的電壓基本不變。

穩壓二極管與其他普通二極管的最大不同之處就是它的反向擊穿可逆，當去掉反向電壓時，穩壓管也隨即恢復正常。但任何事物都不是絕對的，如果反向電流超過穩壓二極管的允許范圍，穩壓二極管同樣會發生熱擊穿而損壞。因此，在實際電路中，為確保穩壓管工作于可逆的齊納擊穿狀態而不會發生熱擊穿，使用時穩壓二極管一般需串聯分壓限流電阻，以確保工作電流不超過最大穩定電流IZM。

穩壓管常用在小功率電源設備中的整流濾波電路之后，起到穩定直流輸出電壓的作用。除此之外，穩壓管還常用于浪涌保護電路、電視機過壓保護電路、電弧控制電路、手機電路等。例如，在手機電路中所用的受話器、振動器都帶有線圈，當這些電路工作時，由于線圈的電磁感應常會導致一個個很高的反向峰值電壓，如果不加以限制就會引起電路損壞，而用穩壓二極管構成一定的浪涌保護電路后，就可以起到防止反向峰值電壓引起的電路損壞。

描述穩壓管特性的主要參數為穩壓值UZ和最大穩定電流IZM。

穩定電壓 UZ是穩壓管正常工作時的額定電壓值。由于半導體生產的離散性，手冊中的UZ往往給出的是一個電壓范圍值。例如，型號為2CW18的穩壓管，其穩壓值為10～12V。這種型號的某個管子的具體穩壓值是這個范圍內的某一個確定的數值。

最大穩定電流IZM，是穩壓管的最大允許工作電流。在使用時，實際電流不得超過該值，超過此值時，穩壓管將出現熱擊穿而損壞。

除此之外，穩壓管的參數還有以下幾種。

穩定電流IZ：指工作電壓等于UZ時的穩定工作電流值。

耗散功率PZM：反向電流通過穩壓二極管的PN結時，會產生一定的功率損耗使PN結的結溫升高。PZM是穩壓管正常工作時能夠耗散的最大功率。它等于穩壓管的最大工作電流與相應工作電壓的乘積，即 PZM=UZIZM。如果穩壓管工作時消耗的功率超過了這個數值，管子將會損壞。常用的小功率穩壓管的PZM一般為幾百毫瓦至幾瓦。

動態電阻rZ：指穩壓管端電壓的變化量與相應電流變化量的比值，即。穩壓管的動態電阻越小，反向伏安特性曲線越陡，穩壓性能越好。穩壓管的動態電阻值一般在幾歐至幾十歐。

2.發光二極管

半導體發光二極管（LED）是一種把電能直接轉換成光能的固體發光元件，發明于20世紀60年代，在隨后的數十年中，其基本用途是作為收錄機等電子設備的指示燈。與普通二極管一樣，發光管的管芯也是由 PN 結組成的，具有單向導電性。在發光二極管中通以正向電流，可高效率發出可見光或紅外輻射，半導體發光二極管的電路圖符號與普通二極管一樣，只是旁邊多了兩個箭頭，如圖1.21所示。

發光二極管兩端加上正向電壓時，空間電荷區變窄，引起多數載流子擴散，P區的空穴擴散到N區，N區的電子擴散到P區，擴散的電子與空穴相遇并復合而釋放出能量。對于發光二極管來說，復合時釋放出的能量大部分以光的形式出現，而且多為單色光（發光二極管的發光波長除了與使用材料有關外，還與PN結摻入的雜質有關，一般用磷砷化鎵材料制成的發光二極管發紅光，磷化鎵發光二極管發綠光或黃光）。隨著正向電壓的升高，正向電流增大，發光二極管產生的光通量也隨之增加，光通量的最大值受發光二極管最大允許電流的限制。

發光二極管屬于功率控制器件，由于發光二極管發射準單色光、尺寸小、壽命長和價格低廉，被廣泛用作電子設備的通斷指示燈或快速光源、光電耦合器中的發光元件、光學儀器的光源和數字電路的數碼及圖形顯示的七段式或陣列式器件等領域。發光二極管的工作電流一般在幾毫安至幾十毫安之間。

隨著近年來發光二極管發光效能的逐步提升，充分發揮發光二極管的照明潛力，將發光二極管作為發光光源的可能性也越來越高，發光二極管無疑為近幾年來最受重視的光源之一。一方面憑借其輕、薄、短、小的特性，另一方面借助其封裝類型的耐摔、耐震及特殊的發光光形，發光二極管的確給了人們很不一樣的光源選擇，但是在只考慮提升發光二極管發光效能的同時，如何充分利用發光二極管的特性來解決將其應用在照明時可能會遇到的困難，目前已經是各國照明廠家研制的目標。有資料顯示，近年來開發出了用于照明的新型發光二極管燈泡。這種燈泡具有效率高、壽命長的特點，可連續使用10萬小時，比普通白熾燈泡壽命長100倍。

3.光電二極管

光電二極管也是一種 PN 結型半導體元件，可將光信號轉換成電信號，廣泛應用于各種遙控系統、光電開關、光探測器，以及以光電轉換的各種自動控制儀器、觸發器、光電耦合、編碼器、特性識別、過程控制、激光接收等方面。在機電一體化時代，光電二極管已成為必不可少的電子元件。光電二極管的實物及電路圖符號如圖1.22所示。

為了便于接受入射光照，光電二極管的電極面積盡量做得小一些， PN 結的結面積盡量做得大一些，而且結深較淺，一般小于1μm。光電二極管工作在反向偏置的反向截止區，光電管的管殼上有一個能射入光線的“窗口”，這個“窗口”用有機玻璃透鏡封閉，入射光通過透鏡正好照射在管芯上。當沒有光照時，光電二極管的反向電流很小，一般小于0.1μA，稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入 PN 結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分價電子獲得能量后掙脫共價鍵的束縛成為電子—空穴對，稱為光生載流子。光生載流子的數量與光照射的強度成正比，光的照射強度越大，光生載流子數目越大，這種特性稱為“光電導”。光電二極管在一般照度的光線照射下，產生的電流叫作光電流。如果在外電路中接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。

光電二極管用途很廣，有用于精密測量的從紫外到紅外的寬響應光電二極管，紫外到可見光的光電二極管，用于一般測量的可見至紅外的光電二極管以及普通型的陶瓷/塑膠光電二極管。精密測量光電二極管的特點是高靈敏度，高并列電阻和低電極間電容，以降低和外接放大器之間的噪聲。光電二極管還常常用作傳感器的光敏元件，即將光電二極管作成二極管陣列，用于光電編碼，以及用在光電輸入機上作光電讀出器件。

光電二極管的種類很多，多應用在紅外遙控電路中。為減少可見光的干擾，常采用黑色樹脂封裝，可濾掉700nm波長以下的光線。光電二極管對長方形的管子，往往做出標記角，指示受光面的方向。一般情況下管腳長的為正極。

光電二極管的管芯主要用硅材料制作。檢測光電二極管好壞可用以下3種方法。

電阻測量法：用萬用表R×100或R×1k擋。像測普通二極管一樣，正向電阻應為10kΩ左右，無光照射時，反向電阻應為∞，然后讓光電二極管見光，光線越強反向電阻應越小。光線特強時，反向電阻可降到1kΩ以下。這樣的管子就是好的。若正反向電阻都是∞或0，說明管子是壞的。

電壓測量法：把指針式萬用表接在直流1V 左右的擋位。紅表筆接光電二極管正極，黑表筆接負極，在陽光或白熾燈照射下，其電壓與光照強度成正比，一般可達0.2～0.4V。

電流測量法：把指針式萬用表撥在直流50μA或500μA擋，紅表筆接光電二極管正極，黑表筆接負極，在陽光或白熾燈照射下，短路電流可達數十到數百微安。

4.變容二極管

PN結的結電容Ci包含兩個部分：擴散電容CD和勢壘電容CB，其中擴散電容CD反映了PN 結形成過程中，外加正偏電壓改變時，引起擴散區內存儲的電荷量變化而造成的電容效應；勢壘電容CB反映的則是PN結這個空間電荷區的寬度隨外加偏壓改變時，引起累積在勢壘區的電荷量變化而造成的電容效應。因此，PN結的結電容Ci除了與空間電荷區的寬度、PN結兩邊半導體的介電常數以及PN結的截面積大小有關外，還隨工作電壓的變化而變動，當PN結正偏時，由于擴散電容CD與正偏電流近似成正比，因此PN結的結電容以擴散電容CD為主，即Ci≈CD；而當PN結反偏時，Ci雖然很小，但PN結的反向電阻很大，此時PN結的結電容Ci的容抗將隨工作頻率的提高而降低，勢壘電容CB隨反向偏置電壓的增大而變化，這時PN結上的結電容Ci又以勢壘電容CB為主，即Ci≈CB。在實際工程中，利用二極管的結電容隨反向電壓的變化而變化的特點，在反偏高頻條件下，若二極管可取代可變電容使用，則這樣的二極管稱為變容二極管。

變容二極管在電子技術中通常用于高頻技術中的調諧回路、振蕩電路、鎖相環路以及電視機高頻頭的頻道轉換和調諧電路中作為可變電容使用，正常工作時應反向偏置。變容二極管制造所用材料多為硅或砷化鎵單晶，并采用外延工藝技術制成。

5.激光二極管

激光二極管是在發光二極管的 PN 結間安置一層具有光活性的半導體，構成一個光諧振腔，工作時正向偏置，可發射出激光。

激光二極管的應用非常廣泛，在計算機的光盤驅動器、激光打印機中的打印頭，激光唱機、激光影碟機中都有激光二極管。

思考與練習

1.二極管的伏安特性曲線上共分幾個工作區？試述各工作區的電壓、電流關系。

2.普通二極管進入反向擊穿區后是否一定會被燒損？為什么？

3.反向截止區的電流具有什么特點？為何稱為反向飽和電流？

4.試判斷圖1.23所示電路中二極管各處于什么工作狀態？設各二極管的導通電壓為0.7V，求輸出電壓UAO。

5.把一個1.5V的干電池直接正向連接到二極管的兩端，有可能出現什么問題？

6.理想二極管電路如圖1.24所示。已知輸入電壓ui=10sinωtV，試畫出輸出電壓uo的波形。