深入解剖半導體二極管及其應用

電子電路區(qū)別于以前所學電路的主要特點是電路中引入各種電子器件。電子器件的類型很多，目前使用得最廣泛的是半導體器件——二極管、穩(wěn)壓管、晶體管、絕緣柵場效應管等。由于本課程的任務不是研究這些器件內部的物理過程，而是討論它們的應用，因此，在簡單介紹這些器件的外部特性的基礎上，討論它們的應用電路。

　　4.1 PN結和半導體二極管

　　4.1.1 PN結的單向導電性

　　我們在物理課中已經知道，在純凈的四價半導體晶體材料(主要是硅和鍺)中摻入微量三價(例如硼)或五價(例如磷)元素，半導體的導電能力就會大大增強。這是由于形成了有傳導電流能力的載流子。摻入五價元素的半導體中的多數(shù)載流子是自由電子，稱為電子半導體或N型半導體。而摻入三價元素的半導體中的多數(shù)載流子是空穴，稱為空穴半導體或P型半導體。在摻雜半導體中多數(shù)載流子(稱多子)數(shù)目由摻雜濃度確定，而少數(shù)載流子(稱少子)數(shù)目與溫度有關，并且溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目會增加。

　　在一塊半導體基片上通過適當?shù)陌雽w工藝技術可以形成P型半導體和N型半導體的交接面，稱為PN結。 PN結具有單向導電性：當PN結加正向電壓時，P端電位高于N端，PN結變窄,由多子形成的電流可以由P區(qū)向N區(qū)流通，見圖4-1 (a),而當PN結加反向電壓時，N端電位高于P端，PN結變寬,由少子形成的電流極小，視為截止(不導通)，見圖4-1 (b)。

　　4.1.2 半導體二極管

　　半導體二極管就是由一個PN結加上相應的電極引線及管殼封裝而成的。由P區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因為PN結的單向導電性，二極管導通時電流方向是由陽極通過管子內部流向陰極。二極管的種類很多，按材料來分，最常用的有硅管和鍺管兩種;按結構來分，有點接觸型，面接觸型和硅平面型幾種;按用途來分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種。

　　圖4-2是常用二極管的符號、結構及外形的示意圖。二極管的符號如圖4-2(a)所示。箭頭表示正向電流的方向。一般在二極管的管殼表面標有這個符號或色點、色圈來表示二極管的極性，左邊實心箭頭的符號是工程上常用的符號，右邊的符號為新規(guī)定的符號。從工藝結構來看，點接觸型二極管(一般為鍺管)如圖4-2(b)其特點是結面積小，因此結電容小，允許通過的電流也小，適用高頻電路的檢波或小電流的整流，也可用作數(shù)字電路里的開關元件;面接觸型二極管(一般為硅管)如圖4-2(c)其特點是結面積大，結電容大，允許通過的電流較大，適用于低頻整流;硅平面型二極管如圖4-2(d)，結面積大的可用于大功率整流，結面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路作開關管。

　　4.1.3 二極管的伏安特性

　　二極管的電流與電壓的關系曲線I = f(V)，稱為二極管的伏安特性。其伏安特性曲線如圖4-3所示。二極管的核心是一個PN結，具有單向導電性，其實際伏安特性與理論伏安特性略有區(qū)別。由圖4-3可見二極管的伏安特性曲線是非線性的，可分為三部分：正向特性、反向特性和反向擊穿特性

　　1. 正向特性

　　當外加正向電壓很低時，管子內多數(shù)載流子的擴散運動沒形成，故正向電流幾乎為零。當正向電壓超過一定數(shù)值時，才有明顯的正向電流，這個電壓值稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V，當正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流迅速增長，曲線接近上升直線，在伏安特性的這一部分，當電流迅速增加時，二極管的正向壓降變化很小，硅管正向壓降約為0.6～0.7V　，鍺管的正向壓降約為0.2～0.3V。二極管的伏安特性對溫度很敏感，溫度升高時，正向特性曲線向左移，如圖4-3所示，這說明，對應同樣大小的正向電流，正向壓降隨溫升而減小。研究表明，溫度每升高10C　，正向壓降減小 2mV。

　　2. 反向特性

　　二極管加上反向電壓時，形成很小的反向電流，且在一定溫度下它的數(shù)量基本維持不變，因此，當反向電壓在一定范圍內增大時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓大小無關，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達幾十μA，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1μA以下，當溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目增加，使反向電流增大，特性曲線下移，研究表明，溫度每升高100C　，反向電流近似增大一倍。

　　3.　反向擊穿特性

　　當二極管的外加反向電壓大于一定數(shù)值(反向擊穿電壓)時，反向電流突然急劇增加稱為二極管反向擊穿。反向擊穿電壓一般在幾十伏以上

　　4.1.4　二極管的主要參數(shù)

　　二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，參數(shù)同樣能反映出二極管的電性能,器件的參數(shù)是正確選擇和使用器件的依據(jù)。各種器件的參數(shù)由廠家產品手冊給出，由于制造工藝方面的原因，既使同一型號的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此手冊常給出某個參數(shù)的范圍，半導體二極管的主要參數(shù)有以下幾個

　　1.最大整流電流IDM

　　IDM指的是二極管長期工作時，允許通過的最大的正向平均電流。在使用時，若電流超過這個數(shù)值，將使PN結過熱而把管子燒壞

　　2.反向工作峰值電壓VRM

　　VRM是指管子不被擊穿所允許的最大反向電壓。一般這個參數(shù)是二極管反向擊穿電壓的一半，若反向電壓超過這個數(shù)值，管子將會有擊穿的危險。

　　3.反向峰值電流IRM

　　IRM是指二極管加反向電壓VRM時的反向電流值，IRM越小二極管的單向導電性愈好。IRM受溫度影響很大，使用時要加以注意。硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。

　　4.最高工作頻率ƒM

　　二極管在外加高頻交流電壓時，由于PN結的電容效應，單向導電作用退化。ƒM指的是二極管單向導電作用開始明顯退化的交流信號的頻率。