二极管的结构、符号和伏安特性

1.2.1.1　二极管的几种常见结构

二极管的几种常见结构如图1.2.2（a）～（c）所示，二极管的代表符号如图（d）所示。

图（a）所示的点接触型二极管，由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接形成PN结。因而其结面积小，不能通过较大的电流。但其结电容较小，一般在1 pF以下，工作频率可达100 MHz以上，适用于高频电路和数字电路。例如2API是点接触型锗二极管，最大整流电流为16 mA，最高工作频率为150 MHz。

图（b）所示的面接触型二极管是采用合金法工艺制成的。其结面积大，能够流过较大的电流，但其结电容也大，因而只能在较低频率下工作，一般仅作为整流管，而不宜用于高频电路中。如2CP1为面接触型硅二极管，其最大整流电流为400 mA，最高工作频率只有3 kHz。图（c）所示的平面二极管是采用扩散法制成的，其中结面积较大的可用于大功率整流，结面积小的可作为脉冲数字电路中的开关管。

图1.2.2　二极管的几种常见结构及符号

1.2.1.2　二极管的I-U特性

与PN结一样，二极管具有单向导电性。由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流；在大电流情况下，这种影响更为明显。另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电压时的反向电流增大。图1.2.3（a）和（b）分别是硅材料二极管和锗材料二极管的I-U特性，两者在局部细节上还是有些差别的。

图1.2.3　实际二极管的I-U特性

1.正向特性

在二极管加正向电压导通前，需要有一个外电场克服PN结的内电场，这个电压称开启电压Uth（又称死区电压）。硅管的开启电压Uth约为0.5 V，锗管约为0.1 V。图1.2.3（b）的第①段为正向特性，各点的阻值可以通过R=ΔU/ΔI 来计算。可以看出，在①段正向特性的起始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电流几乎为零，故电阻可视为无穷大。而在导通区，此时加于二极管的正向电压不大，流过管子的电流相对来说却很大，因此管子呈现的电阻很小。当正向电压大于Uth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增长，二极管正向导通。由于二极管导通后，曲线较垂直陡峭，所以通常认为，硅管正向导通压降Uon为0.6～0.8 V，锗管0.1～0.3 V，见表1.2.1。通常取它们的中间值，硅管正向导通压降约为0.7 V，锗管约为0.2 V。在近似分析时，仍然用PN结的电流方程式（1.1.1）来描述二极管的伏安特性。需要注意的是，方程式描述的是二极管导通后的电压-电流关系。

表1.2.1　硅（Si）、锗（Ge）二极管参数比较

2.反向特性

P型半导体中的少数载流子（自由电子）和N型半导体中的少数载流子（空穴），在反向电压作用下很容易通过PN结，形成反向饱和电流。但由于少数载流子的数目很少，所以反向电流很小，如图1.2.3（b）的第②段所示。根据前述的半导体知识，少数载流子是本征激发产生的，所以当温度升高时，半导体少数载流子数目增加，反向电流也将随之明显增加。对比图1.2.3（a）和（b）的反向特性部分，可以看出，一般硅管的反向电流比锗管小得多，见表1.2.1。

3.反向击穿特性(www.xing528.com)

当反向电压增加到一定值（UBR）时，反向电流将急剧增加，这便是二极管的反向击穿（实际上就是二极管中PN结的反向击穿），对应于图1.2.3（b）的第③段。

4.温度对二极管I-U特性的影响

当环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移，如图1.2.4中虚线所示。在室温附近，若正向电流不变，则温度每升高1°C，正向压降减小2～2.5 mV；温度每升高10°C，反向电流IS约增大1倍。可见，二极管的特性对温度很敏感。

图1.2.4　温度对二极管I-U特性的影响

1.2.1.3　二极管的主要参数

为描述二极管的性能，常引用以下几个主要参数：

1.最大整流电流IF

IF是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则将因结温升过高而烧坏。例如2AP1最大整流电流为16 mA。

2.反向击穿电压UBR

UBR指管子反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压UR约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。例如2AP1最高反向工作电压规定为20 V，而反向击穿电压实际上大于40 V。

3.反向电流IR

IR是二极管未击穿时的反向电流。IR愈小，二极管的单向导电性愈好，IR对温度非常敏感。

4.极间电容Cj

在讨论PN结时，已知PN结存在势垒电容Cb和扩散电容Cd，极间电容是反映二极管中PN结电容效应的参数，Cj= Cb+Cd。在高频或开关状态运用时，必须考虑极间电容的影响。

5.最高工作频率fM

fM是二极管工作的上限截止频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。

二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子的参数。在使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易损坏。由于制造工艺所限，半导体器件参数具有分散性，同一型号管子的参数值也会有相当大的差距，因而手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或范围。此外，使用时应特别注意手册上每个参数的测试条件，当使用条件与测试条件不同时，参数也会发生变化。