1.2　半导体二极管

1.2.1　二极管的结构与分类

1.二极管的结构

半导体二极管是由一个PN结作管芯，再加上接触电极、相应的外引线，然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装而成。

常用的几种半导体二极管的结构示意图和图形符号如图1.7所示。由二极管P区引出的电极叫阳极，由N区引出的电极叫阴极。图形符号中的箭头表示正向电流的方向。正向电流从二极管的阳极流入，阴极流出。

2.二极管的分类

二极管有许多类型：根据所用半导体材料不同，有硅二极管、锗二极管；按用途分有普通型（如整流二极管）和特殊型（如稳压二极管、光电二极管、发光二极管和开关二极管）等；从制作工艺上分为点接触型和面接触型。具体型号可查阅相关的半导体器件手册。下面从二极管的制作工艺来分析二极管的结构。

（1）点接触型二极管

如图1.8（a）所示，它是用一根含杂质元素的金属丝压在半导体晶片上，经特殊工艺和方法，使金属丝上的杂质掺入到晶片中，从而形成导电类型与原晶片不同的区域，即PN结。因为PN结面积小，所以允许通过的电流小，但结电容小，工作频率高，适用于高频和小电流的检波电路。

（2）面接触型二极管

如图1.8（b）所示，在N型硅片衬底中掺入P型硅，那么，在两者的交界面形成扩散层（即PN结），由于PN结接触面积较大，允许通过较大电流，但PN结电容较大，一般适用于低频和大功率的场合，常用作整流器件。

图1.8（c）所示为硅工艺平面型二极管结构图，是集成电路中常见的一种形式。

1.2.2　二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是指二极管两端所加的电压与通过二极管的电流之间的关系特性。根据实验可得普通二极管的伏安特性曲线，如图1.9所示。其数学表达式为

式中，IS为PN结的反向饱和电流；UT=kT/q称为温度的电压当量，其中k为玻耳兹曼常数（k=1.38×10-23J/K），T为热力学温度，q为电子电量（q=1.602×10-19C），在常温下（T=300K）时，UT≈26mV。

1.正向特性

当二极管承受正向电压很低时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，二极管呈现很大的正向电阻，正向电流IF很小，几乎等于零，该区段称为死区，相应的电压叫死区电压（又称门槛电压）。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压约为0.2V。

当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流逐渐增大，因此，死区电压也称为开启电压。在小电流时，正向电流随着电压的增加按指数规律变化；当二极管完全导通后，电流按直线的规律变化，而正向压降基本维持不变，此压降称为二极管正向导通压降（UF），一般普通硅管的UF约为0.7V，普通锗管的UF约为0.3V。

2.反向截止特性

当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流，称为漏电流（IR），此时，二极管呈现很大的反向电阻而处于截止状态，故这种特性称为反向截止特性。从图1.9中可看出：反向电压在很大范围内变化，而反向电流基本不变。

3.反向击穿特性

当二极管反向电压增大到某一数值时，反向电流将急剧增大，这种现象称为二极管反向击穿，此时的反向电压称为反向击穿电压。由图1.9可见：该区域电压基本保持不变，而电流变化很大。在反向击穿状态下，会造成大多数二极管永久性损坏。因此，一般二极管不允许反向击穿，但稳压管正是利用此特性来实现稳压功能的。

1.2.3　二极管的主要参数

二极管的参数是反映二极管性能的定量指标，是正确使用和合理选择二极管的依据。二极管的主要参数有：

1.最大整流电流IFM

最大整流电流也叫最大正向电流，它是指二极管长期工作时允许通过的正向平均电流值，用IFM表示。工作时，二极管通过的电流不应超过这个数值，否则将导致二极管过热而烧毁。为了确保二极管正常工作，对于大功率二极管还要按手册上要求加装合格的散热片，有些二极管甚至采用风冷、水冷或油冷，以满足散热要求。

2.最高反向工作电压URM

最高反向工作电压是指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压的峰值。最高反向工作电压URM通常为反向击穿电压的1/2～2/3，以确保二极管安全工作。

3.最大反向电流IRM

最大反向电流是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向电流，一般很小，但其受温度影响较大，当温度升高时，IRM显著增加。其数值越小，反映该二极管的单向导电性能越好。

4.最高工作频率fM

最高工作频率是指保持二极管单向导通性能时外加电压的最高频率。二极管工作频率fM与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。二极管的参数很多，除了上述主要参数外还有结电容、正向压降等，在实际应用时，可查阅半导体器件手册。下面列出几种类型二极管的主要技术参数，如表1.1所示。

1.2.4　其他特殊二极管

除了前面介绍的普通二极管以外，还有许多特殊用途的二极管。例如，稳压二极管、发光二极管和光电二极管等。

1.稳压二极管

稳压二极管是半导体二极管中的一种，其正常工作在反向击穿区。在电路中它与适当的电阻配合，具有稳定电压的作用，故又称为稳压管。稳压管的图形符号和伏安特性曲线如图1.10所示。

从图1.10（b）中可看到：当电压增加到反向击穿电压时，反向电流突然增加，稳压管击穿后，电流在相当大的范围内变化，而稳压管两端电压的变化却很小，只要反向电流被限制在一定范围内稳压管就不会损坏，当外加反向电压消失以后，稳压管仍能恢复单向导电性。稳压管就是利用以上特点来稳定电压的。

稳压管的主要技术参数如下：

（1）稳定电压UZ

稳定电压是稳压管在正常的反向击穿工作状态下两端的电压。由于制造工艺的分散性，同一型号的稳压管其稳压值大小有所不同，这里给出的UZ是一个范围值，使用时要进行测试，按需要挑选。

（2）稳定电流IZ

稳定电流是指稳压管工作在稳定电压时的工作电流值。一般来说，稳定电流略大于最小工作电流，但在选用稳压管时，可以把稳定电流看作最小电流。

（3）最大稳定电流IZM

最大稳定电流是指稳压管正常工作时允许通过的最大反向电流。稳压管使用时，其工作电流不能超过最大稳定电流。

（4）动态电阻rZ

动态电阻是衡量稳压管稳压性能好坏的指标。它是指稳压管正常工作时，电压变化量与电流变化量之比，即。动态电阻越小，稳压效果越好。

（5）最大允许耗散功率PZM

最大允许耗散功率是指稳压管不会产生热击穿时所消耗的最大功率，其值等于稳压管的最大工作电流IZM与相应的工作电压UZ的乘积。

部分稳压二极管的主要技术参数如表1.2所示。

2.发光二极管

发光二极管的外形和图形符号如图1.11所示。它是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED（Light Emitting Diode）。发光二极管和普通二极管相似，也由一个PN结组成。发光二极管在正向导通时，由于空穴和自由电子的复合而放出能量，发出一定波长的可见光，光的波长不同，颜色也不同，常用的有红、黄、绿等颜色。还有发出不可见光的发光二极管。

发光二极管和普通二极管的伏安特性相似，只是在开启电压和正向特性的上升速率上略有差异。当所施加正向电压未达到开启电压时正向电流几乎为零，但一旦超过开启电压时，电流急剧上升。发光二极管的开启电压通常称为正向电压，它取决于制作材料的禁带宽度。例如，GaAsP红色的LED约为1.7V，而GaP绿色的LED约为2.3V。

几种常用的发光二极管的主要参数如表1.3所示。

3.光电二极管

光电二极管又称为光敏管或光电管，它是将光信号转换成电信号的器件。从结构上，光电二极管与普通二极管的主要区别在于PN结面积较大，上电极较小，利于接受光的照射以提高光电转换效率。其外形和图形符号如图1.12所示。

当光线照射在PN结上时，如果光子的能量足够大，在PN结附近激发出电子-空穴对，原载流子的动态平衡被打破，电子和空穴在内电场作用下做定向漂移运动，即P区的自由电子向N区移动，N区的空穴向P区移动，若将两端短路，便形成短路光电流，短路光电流与光的照度成正比。如果光的照度发生改变，电子-空穴对的浓度也相应改变，光电流强度也随之改变。

光电二极管正向伏安特性与普通二极管相似，反向特性受光照控制。因此，光电二极管一般加反向偏置电压，利用反向饱和电流随光照强弱变化而变化的特性进行工作。但使用时不应超过其允许的最高反向工作电压。

光电二极管的种类很多。按制作材料来分，有硅光敏二极管（2CU、2DU类），锗光敏二极管（2AU类）等；按对光波波长响应分，有红外、紫外、蓝光等；按结构类型分，有PN结、PIN结、肖特基势垒型和雪崩型（APD）等。

光电二极管的主要技术参数有：

①暗电流ID：是指在无光照的条件下，光电二极管两端加上规定的反向工作电压时的反向漏电流。

②灵敏度Sn：是指在给定波长的入射光下，输入单位光功率时光电二极管输出的强度。

③最高工作电压URM：是指在无光照时，光电二极管所允许加的最高反向电压。

④光电流IL：是指在规定的光照条件下，光电二极管加上一定数值反向工作电压时，光子流过的电流。光电流主要受光照的影响，受环境温度的影响不大，几乎不受外加电压的影响。