半导体二极管的应用与工作原理

1.半导体二极管的类型

半导体二极管实际上就是一个PN结外引两个电极构成的。按材料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。如图1.5 （a）所示。点接触型二极管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。如图1.5 （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，适宜用作大功率低频整流器件。

（3）平面型二极管。如图1.5 （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。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表示为N型硅材料制成的管子型号；锗管一般用A表示，如2AP1为N型锗材料制成的管子型号。

二极管的电路符号如图1.5 （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）。

图1.5　半导体二极管的结构类型及电路图符号

（a）点接触型；（b）面接触型；（c）平面型；（d）图形符号

图1.6　二极管的伏安特性曲线

2.半导体二极管的伏安特性

自由是被认识了的必然，只有在认识了半导体二极管特性的基础上，才能正确掌握和使用它。

二极管的伏安特性指加到二极管两端的电压U 与流过二极管的电流I之间的关系，如图1.6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：较小正向电压的电场还不足以克服PN结内电场对扩散运动的阻挡作用，二极管仍呈现高阻态，基本上仍处于截止状态，这段区域称为死区。对硅管来讲，死区电压约为0.5V，而锗管的死区电压约为0.1V。

继续观察特性曲线，当外加正向电压超过死区电压后，PN结的内电场作用将被在大大削弱或抵消，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，硅管约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V。即正向电流的大小通常仅取决于半导体材料的电阻。

再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由半导体内部的少数载流子的漂移运动产生的，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。

注意：半导体少子构成的反向电流对温度十分敏感，温度上升时，反向电流会大大增加。

当反向电压继续增大，超过反向击穿电压UBR时，反向电流会突然骤增，特性曲线向下骤降，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。

3.二极管的击穿问题

二极管进入反向击穿区将发生电击穿现象。对于硅材料的二极管来说，击穿电压大于7V时为雪崩击穿，小于4V时为齐纳击穿。在4～7V之间，两种击穿都有。

（1）雪崩击穿。当二极管的反向电压增加时，空间电荷区中的内电场随着增强。在强电场作用下，少数载流子的运动速度加快，动能增大，致使它们在快速运动过程中与晶体结构的中性原子相碰撞。碰撞造成更多的价电子脱离束缚形成新的载流子，这种现象称碰撞电离。新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其他中性原子，又产生新的载流子。如此连锁反应，使得二极管的PN结中载流子数量剧增，流过PN结的反向电流急剧增大，这种现象称为雪崩击穿。

雪崩击穿发生在掺杂浓度较低、外加反向电压较高的情况下。掺杂浓度低使二极管PN结较厚，少子在PN结内运动过程中与中性原子碰撞的机会比较多，发生碰撞电离的次数也比较多；由于掺杂浓度较低，PN结较宽，产生雪崩击穿的电场相对较强，一般出现雪崩击穿的电压大约在7V以上。

（2）齐纳击穿。如果二极管的PN结两边掺杂浓度很高，PN结很薄时，很薄的PN结内部载流子与中性原子碰撞的机会将大为减少，一般不会发生雪崩击穿。但是，正因为PN结很薄，即使所加反向电压不大，在PN结两端也会产生强大的电场，这个电场足以把PN结内中性原子的价电子从束缚中拉出来，产生出大量的载流子，致使二极管的反向电流剧增，这种现象称为齐纳击穿。齐纳击穿发生在高掺杂的二极管中，相应的击穿电压较低，一般小于5V。

综上所述，雪崩击穿属于碰撞的电击穿，齐纳击穿则是一种场效应的电击穿。电击穿的过程通常可逆，只要降低加在二极管两端的反向电压，二极管一般都可恢复到原来的状态而不会造成永久损坏。

如果反向电压在电击穿区继续增加，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。热击穿的过程不可逆。普通二极管工作在反向击穿区时，反向电流都很大，极易造成“热击穿”而永久损坏。

4.二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时间使用时，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个毫安以下；面接触型二极管的最大整流电流可达100mA；对大功率二极管而言可达几个安培。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。(www.xing528.com)

（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。实际应用中，应认真查阅半导体器件手册。

5.二极管的应用

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1.7 （a）所示电路是一个单相半波整流电路。图中变压器T的输入电压为单相正弦交流电压，波形如图1.7 （b）所示。变压器的输出和二极管VD相串联后与负载电阻RL相接。由于二极管的单向导电性，变压器T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上获得的电压波形如图1.7（c）所示，它为单向半波整流波形，电路实现了对输入的半波整流。

图1.7　二极管半波整流电路及输入、输出电压波形

（a）半波整流电路；（b）变压器输入电压波形；（c）负载端电压波形

图1.8 （a）所示电路是单相全波整流电路。图1.8 （b）是电路输入的正弦交流电压波形。当变压器T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T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。如此循环往复，负载RL两端就得到一个如图1.8 （c）所示的单向整流电压，实现了对输入的全波整流。

图1.8　二极管全波整流电路及输入、输出电压波形

（a）全波整流电路；（b）变压器输入电压波形；（c）负载端电压波形

图1.9 （a）所示电路是桥式全波整流电路，图1.9 （b）是电路输入的正弦交流电压波形。

图1.9　二极管桥式全波整流电路及输入、输出电压波形

（a）桥式整流电路；（b）变压器输入电压波形；（c）负载端电压波形

当变压器T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T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。如此循环往复，负载RL两端就得到一个如图1.9 （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1.10所示为二极管钳位电路，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点电位为零时，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零，则输出F的电位被钳制在零伏，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F的电位就被钳制在U（+）。

（3）二极管双向限幅电路。二极管正向导通后，它的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，二极管在电路中可作为限幅元件，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。

图1.10　二极管钳位电路

【例1.1】 图1.11 （a）为二极管双向限幅电路。已知ui=1.41sinωt（V），图中VD1、VD2均为硅管，导通时管压降UD=+0.7V。试画出输出电压u0的波形。

图1.11　二极管限幅电路

（a）电路图；（b）波形图

解 由图1.11 （a）可知，ui＞UD时，二极管VD1导通、VD2截止，输出u0=UD=+0.7V；当ui＜-UD时，二极管VD2导通、VD1截止，输出u0=-UD=-0.7V；若输入电压在-0.7～+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，u0=ui。

由上述分析结果可画出输出电压波形为如图1.11 （b）所示的波形图。显然，图1.11（a）所示电路中的两个二极管起到了对输出限幅在±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，在此不再一一赘述。