第1篇 模拟电子技术

第1章 常用半导体器件

1.1 半导体二极管（Semiconductor Diode）

1.1.1 半导体二极管的结构和符号

半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。世界上第一个晶体二极管诞生于1946年，而1947年第一个晶体三极管制成后，使半导体技术得到了极为迅速的发展。在这个基础上进一步发展起来的集成电路技术更把半导体器件所具有的微型化、低耗能、高可靠性等一系列优点发挥得淋漓尽致，使半导体器件在全世界各个领域都获得了广泛的应用。

半导体二极管是用半导体材料制成的。半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗。纯净的半导体又称本征半导体，其原子都按一定规律整齐排列，呈晶体结构。半导体材料受热或受光照后，其导电性能会变强，这就是半导体的热敏特性和光敏特性。另外，在本征半导体中掺入微量的杂质后，导电性能会显著提高，这就是半导体的掺杂特性。在本征半导体中掺入不同种类的杂质元素，就能得到导电性能不同的半导体材料。如果在硅晶体中掺入微量的三价硼元素，就会得到以空穴载流子为主的空穴型半导体，空穴载流子是带正电荷的，空穴型半导体又称为P型半导体。如果在硅晶体中掺入微量的五价磷元素，就会得到以电子载流子为主的电子型半导体，电子载流子是带负电荷的，电子型半导体又称为N型半导体。如果通过一定的生产工艺把P型半导体和N型半导体结合在一起，就会在它们的交界处形成一个具有特殊性能的薄层，称为PN结。PN结是构成各种半导体器件的核心部分。给PN结装上相应的电极引出端及管壳，就制成了半导体二极管。半导体二极管的图形符号、外形及结构如图1-1所示。

1.1.2 PN结和它的单向导电性

PN结具有单向导电性，这是半导体二极管的一个重要特性，但该特性只有在外加电压时才显示出来。

演示实验：

观察半导体二极管的单向导电性。

如图1-2（a）所示，二极管的正极接电源正端，二极管的负极接电源负端，这种接法称为二极管外加正偏电压（正向偏置），此时灯亮，表示有较大的电流流过二极管，表明二极管导通。二极管的正极接电源负端，二极管的负极接电源正端，这种接法称二极管外加反偏电压（反向偏置），如图1-2（b）所示，此时灯不亮，表示没有电流流过二极管，表明二极管截止。

由上述演示实验可知：半导体二极管外加正偏电压时导通，外加反偏电压时截止。这就是半导体二极管的单向导电性。

1.1.3 半导体二极管的伏安特性曲线

演示实验：

观察二极管的伏安特性曲线。

应用晶体管特性图示仪（如JT-1，QT-2等）来观察及测量半导体二极管的伏安特性曲线。

图1-3所示为小功率硅二极管的伏安特性曲线。从二极管的伏安特性曲线可知，当二极管两端加较小的正向电压时，二极管还不能导通，这一段（OA 段）称为死区电压（硅管死区电压小于0.5V，锗管死区电压小于0.1V）。超过死区电压后，二极管中电流开始增大，继续增加电压直至只要电压略有增加，电流便急剧增大（B点），这时二极管导通（硅管导通电压约为0.7V，锗管约为0.3V），此时二极管在电路中相当于一个开关的接通状态。以上为二极管伏安特性曲线中正向特性的特点。

当二极管两端加反向电压（小于某一数值）时，二极管并不是理想的截止状态，它会有很小的反向电流，而且反向电流在一定范围内基本不随反向电压变化而变化（OC段），称为反向饱和电流（一般硅管约为几微安到几十微安，锗管约为几十微安到几百微安），此时二极管在电路中相当于一个开关的断开状态。由于半导体具有热敏特性，因此反向饱和电流将随温度升高而增大。通常温度每升高10℃，其反向饱和电流约增大一倍。当反向电压增大至某一数值后，反向电流开始急剧增大（D点），二极管将被击穿，有可能把普通的二极管烧坏。以上为二极管伏安特性曲线中的反向特性的特点。

1.1.4 半导体二极管的主要参数（Parameters）

1. 最大整流电流IF

最大整流电流是指二极管在室温下长期运行允许通过的最大正向平均电流。超过这一数值二极管将因过热而烧坏。工作电流较大的大功率管子还必须按规定安装散热装置。

2. 最高反向工作电压VRM

最高反压工作电压是指允许加在二极管上的反向电压的最大值。使用时应保证反向电压在任何情况下都不要超过这一数值，以避免二极管被反向击穿。

此外，还有正向压降、反向电流、工作频率等参数，选用二极管时也应视具体情况而加以考虑。

1.1.5 特殊二极管的作用

二极管的种类很多，利用PN结的单向导电性特点工作的有整流二极管、检波二极管、开关二极管等。此外，人们还根据PN结的其他特点制造出了一些具有特殊用途的二极管，如稳压二极管、发光二极管、光电二极管及变容二极管等。以下简单介绍常见的几种二极管。

1. 稳压二极管（其图形符号为）

根据前面的介绍我们知道，当二极管上外加的反向电压增大到一定数值以后，二极管的反向电流会剧增，这就是反向击穿现象。对整流二极管来说，反向击穿就意味着管子失去单向导电性而损坏。但是如果能利用二极管反向击穿时通过管子的电流在很大范围内变化，而管子两端的电压却几乎不变的特点，就可以实现稳压。稳压二极管就是通过对半导体进行特殊工艺处理后，使它能够有一个陡峭的反向击穿特性。稳压管实质上是工作在反向击穿状态下的二极管，未反向击穿时，和一般的整流二极管没有太大区别，因为它工作在反向击穿状态，所以反向电流较大，在实际应用中需要在外电路串联一个限流电阻，对反向电流加以限制，使稳压管能安全工作。

常用稳压管有2CW和2DW系列。主要参数有：稳压电压VZ、稳定电流IZ、最大稳定电流IZM、动态电阻rZ和最大耗散功率PZM。

2. 发光二极管（其图形符号为）（英文缩写LED）

发光二极管的PN结是工作在正向偏置状态的。发光二极管是用特殊的半导体材料，如砷化镓等制成的，砷化镓半导体辐射红光；磷化镓半导体辐射绿光或黄光等。发光二极管的PN结正向特性比较特殊，相当一部分工作电流约为10～30mA时，正向电压降约为1.5～3V，这点在使用中要注意，不要与一般二极管的正向导通电压相混淆。发光二极管常用做电子设备中的显示器。

发光二极管具有体积小、响应快、光度强、寿命长、污染低、适用范围广等特点。随着人类环保意识的增强，有着“绿色照明光源”之称的白光LED将逐步取代现有的灯泡照明产品。白光是多种单色光合成的复合光。目前国内市场的白光LED大多用蓝光LED芯片和荧光粉封装而成。供电电源在6～24V，特别适用于公共场所。

3. 光电二极管（图开符号为）

光电二极管PN结工作在反向偏置状态，它的反向工作电流与光照强度成正比。这是利用半导体光敏特性制造的光接收器件，当光照强度增加时，PN结两侧的少数载流子浓度增大，当二极管反偏时，反向电流也增大。即光电二极管反向电流随光照增加而增大。

光电二极管常用于光检测。若制成大面积光电二极管，即可作为光电池。

4. 变容二极管（图形符号为）

变容二极管PN结工作在反向偏置状态，当其外加反向电压增加时，结电容（主要是势垒电容）随反向电压增加而减少，利用结电容随外加电压改变而改变的特性制造出变容二极管，它在高频电子技术中应用较多。

自我检查题

1. 半导体二极管具有特性，即外加_____电压，二极管导通，有_____的电流通过二极管；外加_____电压，二极管截止，只有_____的反向电流通过二极管。

A. 导电；

B. 单向导电；

C. 正向偏置；

D. 反向偏置；

E. 较大；

F. 很小

2. PN结具有单向导电性，其导电方向是从_____。

A. P区到N区；

B. N区到P区

3. 通常小功率硅二极管的正向导通压降是_____V，小功率锗二极管的正向导通压降是_____V。

A. 0.1V；

B. 0.3V；

C. 0.5V；

D. 0.7V

4. 电路如图1-4所示，试确定二极管是正向偏置还是反向偏置。设二极管正向偏置时的正向压降为0.7V，分别估算图1-4（a）和图1-4（b）中的VA，VB，VC，VD，VAB，VCD。

5. 一个硅二极管的反向饱和电流在25℃时是10μA，那么在55℃时它的反向饱和电流约为多少？