1.2 二極管及其特性

1.2.1 二極管的制造工藝

制造二極管主要是制造一個PN結。它是采用某種工藝方法，將同一塊半導體制成P型和N型兩部分，在P、N型半導體的結合面就形成PN結。但不能將一塊P型半導體和一塊N型半導體黏合在一起的接觸面看成是PN結。

一般采用摻雜補償制造工藝能獲得PN結，常用的方法有合金法、電形成法和平面擴散法。

1.用合金法制造二極管

在N型硅上放一塊鋁，然后在高溫爐中加熱至680～700℃，鋁和硅便在接觸處相互熔合、滲透形成合金，如圖1-11（a）、（b）所示。經這樣燒結，熔合了3 價鋁的那部分N型硅就轉變為P型硅，于是在P型硅和N型硅交界處就取得PN結。采用這種合金法時，如果精確掌握燒結溫度與時間，可控制摻雜鋁的補償濃度，從而制取需要的PN結。

用合金法制得PN結，其交界處是一個近似球臺的“面”，而不是一“點”。所以合金法制得的PN結允許通過較大電流，一般為幾百毫安至幾十安。

實際用合金法制得的PN結（包括N型硅片）體積還不足1mm3，如圖1-11（c）所示。因此需在P區引出正電極和在N區引出負電極，再用樹脂材料封裝，并在表面印刷型號標記，才成為如圖1-11（d）所示的二極管產品。制造整流二極管、穩壓二極管通常采用合金法。

2.用電形成法制造二極管

在N型鍺片上放一根很細的鎵合金絲，并保持良好接觸，然后通入脈沖電流的一個脈沖，保證電流在幾安內，通電時間為0.1～0.4s。在脈沖電流作用下加熱，合金絲尖端就熔化摻入N型鍺片中。熔入3價鎵的那部分N型鍺就轉變成P型鍺，從而制得PN結。因金屬絲很細，形成PN結的面積很小，稱為點接觸型PN結。這類PN結通過的電流一般較小，多在幾十毫安以下。制造如圖1-12所示的2AP9型檢波二極管通常采用電形成法。

3.用平面擴散法制造二極管

平面擴散法制取PN結是通過圖1-13所示的六道工藝過程完成的。

? 襯底研磨打光：襯底是摻雜濃度很高的N型硅片，用N+表示，其電阻率很低。研磨打光是使其表面光滑平整。

? 外延N層：把SiCl4置于高溫下進行氫還原，或使硅烷SiH4熱分解，在底襯上生成一層約幾微米厚的晶體結構相同的高溫N型外延層。外延層電阻率很高，可以提高PN結的擊穿電壓和減小結電容。

? 氧化：讓硅片在高溫下與氧氣反應，使N型硅片上表面生成一層二氧化硅保護膜。

? 光刻窗口：利用照相技術把需要進行摻雜補償區域（窗口）的二氧化硅保護膜除掉。

? 硼擴散、氧化：將經上述工序的硅片放入一只高溫石英管內，再在管內放入摻雜的固態三氧化二硼或液態硼酸三甲脂，然后加熱使摻雜物產生蒸氣。蒸氣便通過窗口進入N型硅表面起化學反應，使硼原子不斷地向N型外延層中擴散。經過一段時間，窗口下面的一層N型硅就轉化為P型硅，并產生PN結。再在高溫下氧化，形成二氧化硅把窗口封住。

? 光刻、蒸鋁、焊電極：進行光刻，把焊電極處保護膜脫去，接著在真空容器中加熱鋁，使鋁升華為蒸氣，沉積到P區表面形成鋁膜，然后從鋁膜上焊出鋁電極。

平面擴散法能使制成的PN結外面有一層二氧化硅薄膜，保護PN結不受外部水汽和污物沾染，性能穩定。開關二極管一般采用這種工藝生產。此外，平面工藝采用光刻技術，可在一塊硅片上同時制造上千只管芯，管子參數一致性較好，生產效率也高。

1.2.2 二極管的圖形與符號

1.二極管的封裝形式

圖1-14是常見的幾種二極管，它們都由一個PN結和兩個電極（引腳）構成。由于PN結的體積微小脆弱，既不具備機械強度，也無法手工操作使用。因此，制造二極管必須對PN結進行封裝。

二極管封裝形式有多種。例如，圖1-11（c）中PN結安裝電極后，放置在模具中，再灌注樹脂類絕緣材料，從而成為錐體外形，如圖1-11（d）所示。二極管兩端電極長度一般為28mm，直徑為0.6mm；二極管體部長為11mm，直徑為4.5mm。

再如，圖1-12（a）采用電形成法制成PN結后，在鎵絲上焊接一根直徑為0.6mm、長為34mm的電極，在N型鍺片上也引出電極，然后采用吹制工藝，將PN結固定于直徑為4.5mm、長為10mm的真空玻璃管中，使其成為如圖1-12（b）所示的具有一定機械強度的二極管。

2.二極管的外形特點

PN結具有單向導電性，也就決定了二極管只能單向導通電流。當PN結加正向電壓時，能導通正向電流，正向電流是從P區經PN結流向N區，P區電極就是二極管正極，N區電極就是二極管負極。為了實際中便于識別使用，每個二極管的正、負極性都有其外形特征。

對于錐形二極管，錐端表示負極，圓面端表示正極，如圖1-14（b）、（c）所示。對于圓柱形二極管，常在外表一端用色點或色環表示負極，另一端就是正極，如圖1-14（a）、（d）、（e）所示。有的二極管是在外表印刷二極管符號標明其正負極，如圖1-14（f）所示。對于球冠形二極管，常用黑點標記負極，另一電極則是正極；有的則無色點標記，但兩引腳一長一短，長腳表示正極，短腳表示負極，如圖1-14（g）所示。有些大電流二極管采用金屬封裝，便于用螺絲固定于金屬片上，以利于散熱，如圖1-14（h）所示。還有的將兩個二極管對接后封裝成如圖1-14（i）所示形式，常稱之為半橋式整流二極管或簡稱半整流橋，其外表標記有“+”、“?”符號，以便于辨認。還有的將4 個二極管連接成橋式電路后封裝為圖1-14（j）所示的形式，常稱之橋式整流二極管，簡稱橋式整流器或全橋整流管。它有4 個引腳，其中兩個引腳上標記有“～”符號，用于連接交流電，另外兩個引腳上標記有“+”、“?”符號，表示它的正負極。

3.二極管的圖形符號

二極管的種類較多，為了繪制電路圖時便于描述，人為地規定了二極管的圖形符號。對不同種類的二極管，規定了不同的符號，如圖1-15所示。

圖1-15（a）是普通二極管的圖形符號，以短橫線表示N區，用三角形表示P區，三角形與橫線的接觸點表示PN結，上端長豎線表示負極，下端長豎線表示正極。圖1-15（b）是穩壓二極管圖形符號，用橫折線表示PN結N區。圖1-15（c）是變容二極管圖形符號，在普通二極管符號旁加一個小電容符號。圖1-15（d）是隧道二極管圖形符號，在普通二極管符號旁加一個小隧道符號。圖1-15（e）是恒流二極管圖形符號，用圓圈取代普通二極管中的三角形，表示通過二極管的電流恒定不變。圖1-15（f）是在四邊棱形中間畫一個普通二極管符號，指明它是由4個二極管構成的整流橋，同時由二極管符號指明整流橋的極性。圖1-15（g）是雙向觸發二極管符號，它表明該管是由兩個反向的二極管構成的。圖1-15（h）是雙向穩壓二極管符號，它表明該管是由兩個反向的穩壓二極管構成的。二極管的文字符號用VD表示。

1.2.3 二極管的型號命名與標識

1.我國二極管型號的命名方法

我國標準規定，二極管型號命名由五個部分的數字或字母組成（有的省略掉第五部分）。各部分的意義如圖1-16所示，各部分所用數字或字母的含義見表1-2。

2.二極管的型號標記及辨認

二極管制成后，外表都要標記型號與極性，便于實際中選用。

例如，圖1-14（a）所示二極管，上面標記有型號“2AP1”和一個白色點。在型號標記中，2表示二極管；A表示N型鍺材料；P表示普通二極管；1表示序號（對應某些參數）。在極性標記中，用右邊白色點標明二極管的負極，左邊則為二極管的正極。

又如，圖1-14（c）所示二極管，是在一個錐形體上標記有型號“2CZ82B”。其型號中的2 表示二極管；C表示N型硅材料；Z表示整流二極管；82 表示序號（對應某些參數），B表示規格號。錐形指明二極管的極性，即左邊為二極管正極，右邊為二極管負極。

再如，圖1-14（e）所示二極管，上面標有型號“2CN2A”和一個白色環。在型號標記中，2表示二極管；C表示N型硅材料；N表示阻尼二極管；2表示序號；A表示規格號。在極性標記上，用右邊白色環標明二極管負極，左邊則為二極管正極。

1.2.4 二極管的特性

1.二極管的單向導電特性

二極管由PN結構成，二極管的導電特性決定于PN結的特性，下面分兩種情況討論。

（1）二極管外加正向電壓的導電情況

二極管外加正向電壓也叫正向偏置電壓，電路如圖1-17（a）所示，外加電壓實際加到二極管內部的PN結上，等效為如圖1-17（b）所示。從圖1-17（b）中可看出，PN結上由E形成外加電場與內部電場方向相反。

在外電場作用下，電源正極便輸出正電荷經P區與PN結中的負電荷復合，同時電源負極的負電荷經N區也與PN結中的正電荷復合，于是使空間電荷區的阻擋層逐漸變窄，直至最后消失。這樣，二極管便能導通電流。其電流回路為：E+→I→P區→空間電荷區→空間電荷區→N區→R→E?。

（2）二極管外加反向電壓的導電情況

二極管外加反向電壓的電路如圖1-18（a）所示，它等效為圖1-18（b）中PN結加上反向電壓。這時，PN結上由E形成外加電場與內部電場方向相同。

在外電場作用下，電源負極輸出的負電荷將與P區正電荷復合掉，同時電源正極輸出的正電荷將與N區負電荷復合掉，于是使PN結中空間電荷區的阻擋層變寬，阻止電流通過。

綜上所述，二極管加正偏置電壓時能夠導通電流，加反向電壓時難以導通電流。這表明二極管具有單向導電特性。

2.二極管的伏安特性曲線

二極管特性包括正向特性和反向特性兩個方面，可通過一條曲線來綜述。

（1）描繪二極管的特性曲線

把2CZ52D型二極管VD、電阻R、可調電阻RP、電壓表?及電流表?mA按如圖1-19（a）所示連接起來。電池E便對2CZ52D型二極管加上了正向偏置電壓。

當將RP的觸點向左端調動時，分別從?、上可看出，二極管加的正偏置電壓變高，導通正向電流變大；當將RP的觸點向右端調動時，二極管加的電壓變低，導通電流變小。

當電壓低于0.75V時，導通電流為0mA；當電壓為1.2V時，電流為30mA；電壓為1.5V時，電流為60mA，……。若以這些正向電壓和正向電流的對應數據作為坐標點描畫在如圖1-19（c）所示的I–U 坐標中，就成為圖中的C（0.75，0）、B（1.2，30）、A（1.5，60）點。如果將A、B、C……點連成一條曲線，就是2CZ52D型二極管的正向特性曲線。

再按如圖1-19（b）所示連接電路，給二極管加反向電壓。當調RP使反向電壓從0→200V逐漸增大時，流過VD的反向電流幾乎為0。繼續調高反向電壓達到200V時，反向電流開始明顯增大。

當反向電壓為210V時，反向電流為2.5μA；當反向電壓為220V時，反向電流為5μA；當反向電壓為235V時，反向電流為10μA；……。以這些反向電壓和反向電流的對應數據作為坐標點描畫在如圖1-19（c）所示的I–U坐標中，就成為圖中的D（-210，-2.5）、E（-220，-5）、F（-235，-10）點。若將D、E、F……點連成一條曲線，就是2CZ52D型二極管的反向特性曲線。

（2）二極管特性曲線的意義

圖1-19（c）中A、B、C、D、E、F……點連成的整條曲線，稱為二極管的特性曲線，它完整地描述了2CZ52D型二極管的以下特性。

? 從圖1-19（c）中特性曲線看，當正向電壓從0→0.75V增大時，二極管基本沒有電流通過，稱為截止。只有正向電壓達到或大于0.7V時，二極管才開始導通電流，它揭示了外加電壓必須克服PN結的內電場才能導通正向電流。常把二極管開始導通正向電流時所加的電壓叫做導通電壓。2CZ52D型二極管的導通電壓是0.75V。

不同種類二極管的導通電壓不同。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。

? 從特性曲線還可看出，二極管正向電壓較高時，正向電流大些；正向電壓較低時，正向電流就小些。二極管在實際應用中導通電流與串聯負載電阻有關。

? 從特性曲線看，外加反向電壓從0 增大到200V時，二極管中基本沒有反向電流通過，這時二極管處于截止狀態。

? 反向電壓大于200V時，二極管開始導通反向電流且明顯增大，這個電流稱為二極管的反向電流，是衡量二極管質量的一項重要指標參數。

? 從完整特性曲線看，二極管正向電壓達到導通電壓時，二極管才導通電流。加反向電壓時，一般認為二極管不導通電流。二極管實際是應用單向導電性，因此，一般不加很高反向電壓，以保證二極管不導通反向電流，也要求反向電流越小越好。

二極管種類較多，不同型號二極管的特性曲線各不相同。圖1-19（c）中曲線表明2CZ52D型二極管特性為：導通電壓是0.75V；不能在反向電壓大于200V的條件下使用。