1.2 半导体二极管

1.2.1 二极管的结构类型

半导体二极管实际上就是由一个 PN 结外引两个电极构成的。半导体二极管按材料的不同可分为硅二极管和锗二极管；按结构不同又可分为点接触型、面接触型和平面型三类。

1.点接触型二极管

点接触型二极管如图1.11（a）所示。点接触型是用一根细金属丝和一块半导体熔焊在一起构成 PN 结的，因此 PN 结的结面积很小，结电容量也很小，不能通过较大电流；但点接触型二极管管的高频性能好，常常用于高频小功率场合，如高频检波、脉冲电路及计算机里的高速开关元件。

2.面接触型二极管

面接触型二极管如图1.11（b）所示。面接触型二极管一般用合金方法制成较大的PN结，由于其结面积较大，因此结电容量也大，允许通过较大的电流（几安至几十安），适宜用作大功率低频整流器件，主要用在把交流电变换成直流电的“整流”电路中。

3.平面型二极管

平面型二极管如图1.11（c）所示。这类二极管采用二氧化硅作保护层，可使PN结不受污染，而且大大减少了 PN 结两端的漏电流，由于半导体表面制作得很平整，故而得名平面型二极管。平面型二极管的质量较好，批量生产中产品性能比较一致。平面型二极管结面积较小的用作高频管或高速开关管，结面积较大的用作大功率调整管。

目前，大容量的整流元件一般都采用硅管。二极管的型号中，通常硅管用C表示，如2CZ31表示用N型硅材料制成的管子型号；锗管一般用A表示，如2AP1表示用N型锗材料制成的管子型号。

普通二极管的电路符号如图1.11（d）所示，P区引出的电极为正极（阳极）,N区引出的电极为负极（阴极）。

1.2.2 二极管的伏安特性

二极管的伏安特性曲线如图1.12所示。

观察二极管的伏安特性曲线，当二极管两端的正向电压较小时，通过二极管的电流基本为零。这说明：较小的正向电压电场还不足以克服 PN 结内电场对扩散运动的阻挡作用，二极管仍呈现高阻态，基本上处于截止状态，我们把这段区域称为死区。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。

继续观察二极管的特性曲线。当外加正向电压超过死区电压后，PN 结的内电场作用将被大大削弱或抵消，此时二极管导通，正向电流由零迅速增长。处于正向导通区的普通二极管，正向电流在一定范围内变化时，其管压降基本不变，硅管为0.6～0.8V，其典型值通常取0.7V；锗管为0.2～0.3V，其典型值常取0.3V，这些数值表明二极管的正向电流大小通常取决于半导体材料的电阻。在二极管的正向导通区（死区电压至导通压降的一段电压范围），二极管中通过的正向电流与二极管两端所加正向电压具有一一对应关系，正向导通区内二极管两端所加电压过高时，必然造成正向电流过大使二极管过热而损坏，所以二极管正偏工作时，通常需加分压限流电阻。

观察二极管的反向伏安特性。在外加反向电压低于反向击穿电压UBR的一段范围内，二极管的工作区域称为反向截止区。在反向截止区内，通过二极管的反向电流是半导体内部少数载流子的漂移运动形成的，只要二极管工作环境的温度不变，少数载流子的数量就保持恒定，因此少子又被称为反向饱和电流。反向饱和电流的数值很小，在工程实际中通常近似视为零值。但是，半导体少子构成的反向电流对温度十分敏感，当由于光照、辐射等原因使二极管所处环境温度上升时，反向电流将随温度的增加而大大增加。

反向电压继续增大至超过反向击穿电压UBR时，反向电流会突然骤然剧增，特性曲线向下骤降，二极管失去其单向导电性，进入反向击穿区。二极管进入反向击穿区将发生电击穿现象，由于电击穿的过程通常可逆，只要设置某种保护措施限制二极管中通过的反向电流或降低加在二极管两端的反向电压，二极管一般不会造成永久损坏。但是在不采取任何措施的情况下继续增大反向电压，反向电流将进一步骤增，致使消耗在二极管 PN 结上的功率超过PN 结所能承受的限度，这时二极管将因过热而烧毁，这种破坏现象称二极管发生热击穿，热击穿过程不可逆，极易造成二极管的永久损坏。

综上所述，二极管的特性曲线共分为4个区：死区、正向导通区、反向截止区和反向击穿区。

1.2.3 二极管的主要技术参数

二极管的参数很多，有些参数仅仅表示管子性能的优劣，而另一些参数则属于至关重要的极限参数，熟悉和理解二极管的主要技术参数，可以帮助我们正确使用二极管。

1.最大耗散功率Pmax

二极管的最大允许耗散功率用它的极限参数Pmax表示，数值上等于通过管子的电流与加在管子两端电压的乘积。过热是电子器件的大敌，二极管能耐受住的最高温度决定它的极限参数Pmax，使用二极管时一定要注意，不能超过此值，如果超过则二极管将烧损。

2.最大整流电流IDM

在实际应用中，二极管工作在正向范围时的压降近似为一个常数，所以它的最大耗散功率通常用最大整流电流 IDM表示。最大整流电流是指二极管长期安全使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流值，也是二极管的重要参数。

点接触型二极管的最大整流电流通常在几十毫安以下；面接触型二极管的最大整流电流可达100毫安；对大功率二极管而言可达几安。在二极管使用过程中，电流若超出此值，可能引起PN结过热而使管子烧坏。因此，大功率二极管为了降低结温，增加管子的负载能力，通常都要把管子安装在规定散热面积的散热器上使用。

3.最高反向工作电压URM

最高反向工作电压 URM是指二极管反向偏置时，允许加的最大电压瞬时值。若二极管工作时的反向电压超过了 URM值，二极管有可能被反向击穿而失去单向导电性。为确保安全，手册上给出的最高反向工作电压 URM通常为反向击穿电压的50%～70%，即留有余量。

4.反向电流IR

二极管未击穿时的反向电流值称为反向电流IR。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流IR随温度的变化而变化较大，这一点要特别加以注意。

5.最高工作频率fM

最高工作频率fM的值由PN结的结电容大小决定。二极管的工作频率若超过该值，则二极管的单向导电性能变差。

除上述参数外，二极管的参数还有最高使用温度、结电容等。在实际应用中，要认真查阅半导体器件手册，合理选择二极管。

1.2.4 二极管的应用

几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，二极管是诞生最早的半导体器件之一，在许多电路中都起着重要的作用，应用范围十分广泛。

1.二极管整流电路

利用二极管的单向导电性，可以把交变的正弦波变换成单一方向的脉动直流电。

图1.13（a）为一个单相半波整流电路。图中变压器Tr的输入电压为单相正弦交流电压，波形如图1.13（b）所示。变压器的输出端和二极管VD相串联后与负载电阻RL相接。由于二极管的单向导电性，只有变压器Tr的输出电压正半周大于死区的部分，才能使二极管VD导通，其余输出均被二极管阻断，因此，负载RL上获得的电压是如图1.13（c）所示的单向半波整流，电路实现了对输入的半波整流。

图1.14（a）为单相全波整流电路。图1.14（b）是电路输入的正弦交流电压波形。

当变压器 Tr 输出正半周时，二极管 VD1导通、VD2截止，电流由变压器次级上引出端→VD1→负载RL→回到变压器次级中间引出端，RL上得到了第一个输出电压正向半波；变压器Tr输出负半周时，二极管VD2导通、VD1截止，电流由变压器次级下引出端→VD2→负载RL→回到变压器次级中间引出端，RL上得到了第二个输出电压正向半波。如此不断循环往复，负载RL两端就得到一个如图1.14（c）所示的单向整流电压，实现了对输入的全波整流。

图1.15（a）所示为桥式全波整流电路。图1.15（b）所示为电路输入的正弦交流电压波形。

当变压器Tr输出正半周时，二极管VD1、VD3导通，VD4、VD2截止，电流由变压器次级上引出端→VD1→负载RL→VD3→回到变压器次级下引出端，RL上得到了第一个输出电压正向半波；变压器Tr输出负半周时，二极管VD2、VD4导通，VD3、VD1截止，电流由变压器次级下引出端→VD2→负载RL→VD4→回到变压器次级上引出端，RL上得到了第二个输出电压正向半波。如此不断循环往复，负载RL两端就得到一个如图1.15（c）所示的单方向的输出电压，从而实现了对输入的全波整流。

2.二极管钳位电路

图1.16为二极管钳位电路，此电路利用了二极管正向导通时压降很小的特性。限流电阻R的一端与直流电源U（+）相连，另一端与二极管阳极相连，二极管阴极连接端子为电路输入端A，阳极向外引出的F点为电路输出端。

当图中A点电位为0时，二极管VD正向导通，按理想二极管来分析，即二极管正向导通时压降为0，则输出端F的电位被钳制在0伏，VF≈0。若A点电位较高，不能使二极管导通时，电阻上无电流通过，输出端F的电位就被钳制在U（+）。

3.二极管双向限幅电路

在图1.17所示的二极管双向限幅电路中，二极管正向导通后，其正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，二极管在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。利用二极管正向导通时压降很小且基本不变的特点，还可以组成各种限幅电路。

【例1.1】 图1.17（a）为二极管双向限幅电路。已知u i=1.41sinωtV，图中VD1、VD2均为硅管，导通时管压降UD=+0.7V。试画出输出电压uo的波形。

【解】由图1.17（a）可知，ui＞UD时，二极管VD1导通、VD2截止，输出uo=UD= +0.7V；当ui＜ −UD时，二极管VD2导通、VD1截止，输出uo= −UD= −0.7V；当输入电压在±0.7V之间时，两个二极管都不能导通，因此，电阻R上无电流通过，uo=ui。

由上述分析结果可画出输出电压波形如图1.17（b）所示。显然，图示电路中的两个二极管起到了将输出限幅在±0.7V的作用。

除此之外，二极管还应用于检波、元件保护以及在脉冲与数字电路中用作开关元件等。总之，电子工程实用中，二极管的应用很广，在此不一一赘述了。

1.2.5 特殊二极管

1.稳压二极管

稳压二极管是电子电路特别是电源电路中常见的元器件之一。与普通二极管不同的是，稳压管的正常工作区域是反向齐纳击穿区，故而也称其为齐纳二极管，实物及图符号如图1.18所示。由于稳压二极管的反向击穿可逆，因此工作时不会发生“热击穿”。

稳压二极管是由硅材料制成的特殊面接触型晶体二极管，其伏安特性与普通二极管相似，如图1.19所示。图示稳压管的反向击穿特性比较陡直，说明其反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。

由稳压管的伏安特性曲线可看出：稳压二极管反向电压小于其稳压值UZ时，反向电流很小，可认为在这一区域内反向电流基本为0。当反向电压增大至其稳压值UZ时，稳压管进入反向击穿工作区。在反向击穿工作区，通过管子的电流虽然变化较大（常用的小功率稳压管，反向工作区电流一般为几毫安至几十毫安），但管子两端的电压却基本保持不变。利用这一特点，把稳压二极管接入稳压管稳压电路，只要输入反向电压在超过 UZ的范围内变化，负载电压则一直稳定在UZ，如图1.20所示。

图1.20中，R为限流电阻，RL为负载电阻，当电源电压波动或其他原因造成电路各点电压变动时，稳压管可保证负载两端的电压基本不变。

稳压二极管与其他普通二极管的最大不同之处就是它的反向击穿可逆，当去掉反向电压时，稳压管也随即恢复正常。但任何事物都不是绝对的，如果反向电流超过稳压二极管的允许范围，稳压二极管同样会发生热击穿而损坏。因此，在实际电路中，为确保稳压管工作于可逆的齐纳击穿状态而不会发生热击穿，使用时稳压二极管一般需串联分压限流电阻，以确保工作电流不超过最大稳定电流IZM。

稳压管常用在小功率电源设备中的整流滤波电路之后，起到稳定直流输出电压的作用。除此之外，稳压管还常用于浪涌保护电路、电视机过压保护电路、电弧控制电路、手机电路等。例如，在手机电路中所用的受话器、振动器都带有线圈，当这些电路工作时，由于线圈的电磁感应常会导致一个个很高的反向峰值电压，如果不加以限制就会引起电路损坏，而用稳压二极管构成一定的浪涌保护电路后，就可以起到防止反向峰值电压引起的电路损坏。

描述稳压管特性的主要参数为稳压值UZ和最大稳定电流IZM。

稳定电压 UZ是稳压管正常工作时的额定电压值。由于半导体生产的离散性，手册中的UZ往往给出的是一个电压范围值。例如，型号为2CW18的稳压管，其稳压值为10～12V。这种型号的某个管子的具体稳压值是这个范围内的某一个确定的数值。

最大稳定电流IZM，是稳压管的最大允许工作电流。在使用时，实际电流不得超过该值，超过此值时，稳压管将出现热击穿而损坏。

除此之外，稳压管的参数还有以下几种。

稳定电流IZ：指工作电压等于UZ时的稳定工作电流值。

耗散功率PZM：反向电流通过稳压二极管的PN结时，会产生一定的功率损耗使PN结的结温升高。PZM是稳压管正常工作时能够耗散的最大功率。它等于稳压管的最大工作电流与相应工作电压的乘积，即 PZM=UZIZM。如果稳压管工作时消耗的功率超过了这个数值，管子将会损坏。常用的小功率稳压管的PZM一般为几百毫瓦至几瓦。

动态电阻rZ：指稳压管端电压的变化量与相应电流变化量的比值，即。稳压管的动态电阻越小，反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好。稳压管的动态电阻值一般在几欧至几十欧。

2.发光二极管

半导体发光二极管（LED）是一种把电能直接转换成光能的固体发光元件，发明于20世纪60年代，在随后的数十年中，其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。与普通二极管一样，发光管的管芯也是由 PN 结组成的，具有单向导电性。在发光二极管中通以正向电流，可高效率发出可见光或红外辐射，半导体发光二极管的电路图符号与普通二极管一样，只是旁边多了两个箭头，如图1.21所示。

发光二极管两端加上正向电压时，空间电荷区变窄，引起多数载流子扩散，P区的空穴扩散到N区，N区的电子扩散到P区，扩散的电子与空穴相遇并复合而释放出能量。对于发光二极管来说，复合时释放出的能量大部分以光的形式出现，而且多为单色光（发光二极管的发光波长除了与使用材料有关外，还与PN结掺入的杂质有关，一般用磷砷化镓材料制成的发光二极管发红光，磷化镓发光二极管发绿光或黄光）。随着正向电压的升高，正向电流增大，发光二极管产生的光通量也随之增加，光通量的最大值受发光二极管最大允许电流的限制。

发光二极管属于功率控制器件，由于发光二极管发射准单色光、尺寸小、寿命长和价格低廉，被广泛用作电子设备的通断指示灯或快速光源、光电耦合器中的发光元件、光学仪器的光源和数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件等领域。发光二极管的工作电流一般在几毫安至几十毫安之间。

随着近年来发光二极管发光效能的逐步提升，充分发挥发光二极管的照明潜力，将发光二极管作为发光光源的可能性也越来越高，发光二极管无疑为近几年来最受重视的光源之一。一方面凭借其轻、薄、短、小的特性，另一方面借助其封装类型的耐摔、耐震及特殊的发光光形，发光二极管的确给了人们很不一样的光源选择，但是在只考虑提升发光二极管发光效能的同时，如何充分利用发光二极管的特性来解决将其应用在照明时可能会遇到的困难，目前已经是各国照明厂家研制的目标。有资料显示，近年来开发出了用于照明的新型发光二极管灯泡。这种灯泡具有效率高、寿命长的特点，可连续使用10万小时，比普通白炽灯泡寿命长100倍。

3.光电二极管

光电二极管也是一种 PN 结型半导体元件，可将光信号转换成电信号，广泛应用于各种遥控系统、光电开关、光探测器，以及以光电转换的各种自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制、激光接收等方面。在机电一体化时代，光电二极管已成为必不可少的电子元件。光电二极管的实物及电路图符号如图1.22所示。

为了便于接受入射光照，光电二极管的电极面积尽量做得小一些， PN 结的结面积尽量做得大一些，而且结深较浅，一般小于1μm。光电二极管工作在反向偏置的反向截止区，光电管的管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个“窗口”用有机玻璃透镜封闭，入射光通过透镜正好照射在管芯上。当没有光照时，光电二极管的反向电流很小，一般小于0.1μA，称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入 PN 结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分价电子获得能量后挣脱共价键的束缚成为电子—空穴对，称为光生载流子。光生载流子的数量与光照射的强度成正比，光的照射强度越大，光生载流子数目越大，这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，产生的电流叫作光电流。如果在外电路中接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

光电二极管用途很广，有用于精密测量的从紫外到红外的宽响应光电二极管，紫外到可见光的光电二极管，用于一般测量的可见至红外的光电二极管以及普通型的陶瓷/塑胶光电二极管。精密测量光电二极管的特点是高灵敏度，高并列电阻和低电极间电容，以降低和外接放大器之间的噪声。光电二极管还常常用作传感器的光敏元件，即将光电二极管作成二极管阵列，用于光电编码，以及用在光电输入机上作光电读出器件。

光电二极管的种类很多，多应用在红外遥控电路中。为减少可见光的干扰，常采用黑色树脂封装，可滤掉700nm波长以下的光线。光电二极管对长方形的管子，往往做出标记角，指示受光面的方向。一般情况下管脚长的为正极。

光电二极管的管芯主要用硅材料制作。检测光电二极管好坏可用以下3种方法。

电阻测量法：用万用表R×100或R×1k挡。像测普通二极管一样，正向电阻应为10kΩ左右，无光照射时，反向电阻应为∞，然后让光电二极管见光，光线越强反向电阻应越小。光线特强时，反向电阻可降到1kΩ以下。这样的管子就是好的。若正反向电阻都是∞或0，说明管子是坏的。

电压测量法：把指针式万用表接在直流1V 左右的挡位。红表笔接光电二极管正极，黑表笔接负极，在阳光或白炽灯照射下，其电压与光照强度成正比，一般可达0.2～0.4V。

电流测量法：把指针式万用表拨在直流50μA或500μA挡，红表笔接光电二极管正极，黑表笔接负极，在阳光或白炽灯照射下，短路电流可达数十到数百微安。

4.变容二极管

PN结的结电容Ci包含两个部分：扩散电容CD和势垒电容CB，其中扩散电容CD反映了PN 结形成过程中，外加正偏电压改变时，引起扩散区内存储的电荷量变化而造成的电容效应；势垒电容CB反映的则是PN结这个空间电荷区的宽度随外加偏压改变时，引起累积在势垒区的电荷量变化而造成的电容效应。因此，PN结的结电容Ci除了与空间电荷区的宽度、PN结两边半导体的介电常数以及PN结的截面积大小有关外，还随工作电压的变化而变动，当PN结正偏时，由于扩散电容CD与正偏电流近似成正比，因此PN结的结电容以扩散电容CD为主，即Ci≈CD；而当PN结反偏时，Ci虽然很小，但PN结的反向电阻很大，此时PN结的结电容Ci的容抗将随工作频率的提高而降低，势垒电容CB随反向偏置电压的增大而变化，这时PN结上的结电容Ci又以势垒电容CB为主，即Ci≈CB。在实际工程中，利用二极管的结电容随反向电压的变化而变化的特点，在反偏高频条件下，若二极管可取代可变电容使用，则这样的二极管称为变容二极管。

变容二极管在电子技术中通常用于高频技术中的调谐回路、振荡电路、锁相环路以及电视机高频头的频道转换和调谐电路中作为可变电容使用，正常工作时应反向偏置。变容二极管制造所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术制成。

5.激光二极管

激光二极管是在发光二极管的 PN 结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔，工作时正向偏置，可发射出激光。

激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器、激光打印机中的打印头，激光唱机、激光影碟机中都有激光二极管。

思考与练习

1.二极管的伏安特性曲线上共分几个工作区？试述各工作区的电压、电流关系。

2.普通二极管进入反向击穿区后是否一定会被烧损？为什么？

3.反向截止区的电流具有什么特点？为何称为反向饱和电流？

4.试判断图1.23所示电路中二极管各处于什么工作状态？设各二极管的导通电压为0.7V，求输出电压UAO。

5.把一个1.5V的干电池直接正向连接到二极管的两端，有可能出现什么问题？

6.理想二极管电路如图1.24所示。已知输入电压ui=10sinωtV，试画出输出电压uo的波形。