半导体二极管的原理与应用介绍

半导体二极管是由PN结加上引出导线和管壳构成的。

根据半导体二极管生产工艺的不同，可将其分为三种类型：点接触型、面接触型和平面型。图3.9（a）、（b）、（c）分别是它们的结构示意图。点接触型二极管适用于高频（几百兆赫）工作；面接触型二极管常用作整流，只适宜在较低的频率下工作；平面型二极管，结面积较大时，适用于大功率整流，结面积较小时，则适宜作数字电路中的开关管。图3.9（d）所示为二极管的图形符号。根据半导体二极管材料的不同，可分为硅二极管和锗二极管。

1）半导体二极管的伏安特性

半导体二极管伏安特性曲线（指流经半导体二极管的电流与其两端电压的关系曲线）如图3.10所示。根据分析，半导体二极管伏安特性方程可由下式表示：

式中：i——流经PN结的电流；

IS——反向饱和电流；

u——外加电压；

UT——温度的电压当量，在室温下UT=26 m V。

图3.9　半导体二极管的结构及图形符号

图3.10　半导体二极管的伏安特性

当二极管加正向电压，且u大于UT几倍时，式中的eu/UT≫1，第二项可略去，则管子的电流与电压成指数关系，即为图3.10特性曲线的②段；当二极管加反向电压时，u为负，若|u|大于UT几倍时，指数项近似为0，故i=-IS。即为图3.10特性曲线的③段。

二极管的伏安特性曲线可以分为下列四个区域：

（1）死区（见图3.10的①段）

当正向电压比较小时（u＜Uth）。由于外部电场还不足以克服内部电场对载流于扩散运动所造成的阻力，因此正向电流几乎为零，Uth称为死区电压。硅管的死区电压一般为0.5～0.6 V，锗管为0.1～0.2 V。

（2）导通区（见图3.10的②段）

当二极管两端的电压超过Uth以后，内部电场将被大大削弱，正向电流显著增加。

（3）截止区（见图3.10的③段）

二极管加反向电压时，反向电流的数值很小。在同样的温度下，硅管的反向电流比锗管更小，锗管是微安级，硅管是纳安级。

（4）击穿区（见图3.10的④段）

反向电压高于一定值时，反向电流急剧增大，这种现象称为电击穿，发生电击穿时的反向电压UBR叫做反向击穿电压。电击穿时，若无适当的限流措施，反向电流过大，将使二极管过热发生热击穿，从而造成永久性的损坏。

实测的二极管伏安特性与理论分析的结果虽有差别，但相差不大。

2）半导体二极管的开关特性

在数字电路中，二极管通常工作在开关状态。

（1）二极管的开关作用

作为开关的二极管工作于正向导通区或反向截止区。由于导通区曲线很陡，可以近似地认为导通电压不变；由于截止区反向饱和电流很小，可以近似地认为其值为零。因此折线化的二极管伏安特性如图3.11（a）所示。正向导通电压UF值，对于小功率锗二极管，约为0.2～0.3 V；对于小功率硅二极管，约为0.6～0.8 V。(www.xing528.com)

由图3.11（a）可知，当u≥UF时，二极管处于导通状态，有电流流过二极管，相当于开关合上，且二极管两端压降为UF，等效电路见图3.11（b）；当U＜UF时，流过二极管电流为零，相当于开关断开，等效电路见图3.11（c）。

图3.11　二极管折线化的伏安特性和等效电路

在分析估算中，有时甚至连正向导通压降UF也常忽略不计，这样二极管就等效为一个理想开关，其等效电路如图3.12所示。

图3.12　理想化的二极管等效电路

（2）二极管的实际开关特性

在图3.13（a）所示电路中，当输入电压ui从+U1跳变到-U2（见图3.13（b））。如果二极管VD是理想的开关，则负载电阻RL上的电流波形理论上应为如图3.13（c）所示的波形，即正向电流i=U1/RL，反向电流iR≈0。但实际电流的波形如图3.13（d）所示，负跳变瞬间，二极管仍然导通，只有经过反向恢复时间tre之后，二极管才进入截止状态，这是因为扩散电容效应所致。因此，当输入电压频率非常高，以至它的负半周的宽度小于tre时，二极管将失去单向导电作用，在使用中应予以注意其最高工作频率。

图3.13　二极管的开关特性

3）特殊二极管

（1）稳压二极管

稳压二极管是工作于反向击穿区用于稳压的一种特殊二极管，其伏安特性和普通二极管相似（见图3.10），只不过它一般工作在电击穿区，设击穿电压为UZ，当外加u＞UZ时电流在很大范围内变化，管子两端电压UZ却变化很少，因而，可以起到稳定电压的作用。图3.14为稳压二极管的图形符号。当然，使用稳压二极管的电路必须有限流措施，即串联限流电阻，使电击穿不致引起热击穿而损坏稳压二极管。

（2）发光二极管

制造发光二极管的材料不再使用硅和锗，通常采用元素周期表中的Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等。砷化镓的光在红外范围内，人眼看不见，如加入少量的磷，便可发出红色的可见光，如果要发出绿光，可以加入磷化镓。发光二极管的图形符号如图3.15所示。

发光二极管常用来作为显示器件，简称为LED，可单个使用，也可制成7段式或矩阵式。工作电流一般为几毫安到几十毫安，正向导通压降为1.8～2.2 V。使用中一般应接入限流电阻。

图3.14　稳压二极管的图形符号

图3.15　发光二极管的图形符号

图3.16　光电二极管的图形符号

图3.17　变容二极管的图形符号

（3）光电二极管

光电二极管又称光敏二极管。其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个透光的窗口。由于半导体材料的光敏性，当二极管的某个区受到光照时，在该区内将大量产生自由电子—空穴对，也就提高了少子的浓度。在反向偏置电压作用下，反向电流将增加，而且，外电路中的电流可以随着光照度的强弱的改变而改变，将此电流称为光生电流。根据这一原理可制成光敏二极管。光生电流的值除了与光照强度有关外，还与光的波长有关。光电二极管的图形符号如图3.16所示。

（4）变容二极管

PN结的势垒电容容量随反向电压的减小而增大。利用这种特性制造的二极管称为变容二极管。其图形符号如图3.17所示。变容二极管的容量一般很小，在p F数量级。主要用于高频场合。