半导体二极管类型和知识
半导体二极管(Diode)
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[解] 理想 恒压
VDD = 10 V IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA) UO = 10 0.7 = 9.3 (V) IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)
折线 IO = (VDD-Vth)/ (R+rd) = (10-0.5 )/ (2+0.2) = 4.318 (mA)
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2.4
二极管基本电路及其分析方法
二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路
分析方法。主要介绍模型分析法。 2.4.1 2.4.2 二极管V-I特性的建模 模型分析法应用举例
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2.4.1 二极管V-I特性的建模
1. 理想模型(ideal model)
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2.3 半导体二极管（Diode）
二极管 ：一个PN结就是一个二极管。
半导体二极管的类型与结构
二极管的V-I特性
★二极管的参数
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2.3.1 半导体二极管的类型与结构
硅管
(1) 按使用的半导体材料不同分为
锗管 面结型(junction type) 点接触型(point contact type)
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2
限幅电路
用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。
例3：理想二极管电路中 vi= Vm sinωt V，求输出波形v0。
vi
Vm
VR
解： Vi> VR时，二极管导通，vo=vi。
半导体二极管的类型
半导体二极管的类型半导体二极管的类型及其特性半导体二极管是电子工程中的基础元件，广泛应用于各种电子设备中。
了解不同类型的半导体二极管以及其特性对于电子工程师和设计师至关重要。
本文将详细介绍几种常见的半导体二极管类型及其主要特性。
一、普通二极管普通二极管是最基本的半导体二极管，由P型半导体和N型半导体组成。
它具有单向导电性，即只允许电流从一个方向流过。
正向偏置时，二极管导通，电阻较小；反向偏置时，二极管截止，电阻极大。
普通二极管常用于整流、检波和开关等电路。
二、发光二极管（LED）发光二极管是一种能够将电能转化为光能的特殊二极管。
当LED正向偏置时，电子与空穴复合释放出能量，激发荧光物质发光。
LED具有发光效率高、寿命长、体积小等优点，广泛应用于显示器、照明、指示器等领域。
三、稳压二极管（Zener Diode）稳压二极管是一种利用PN结反向击穿特性实现电压稳定的特殊二极管。
当反向电压达到稳压值时，稳压二极管进入击穿状态，保持电压基本不变。
稳压二极管具有稳定电压、响应速度快等优点，常用于电压稳定器、过电压保护等电路。
四、肖特基二极管（Schottky Diode）肖特基二极管是一种采用金属与半导体接触形成的结构，具有低功耗、快速开关速度和高频特性。
与普通二极管相比，肖特基二极管的反向漏电流较大，但正向压降低，适用于高频整流、检波、开关等电路。
五、光电二极管（Photodiode）光电二极管是一种能够将光能转化为电能的特殊二极管。
当光照射到光电二极管上时，光子激发半导体内的电子，产生电流。
光电二极管具有灵敏度高、响应速度快等优点，广泛应用于光通信、光电检测等领域。
总结：半导体二极管作为电子工程中的基础元件，具有多种类型，每种类型都有其独特的特性和应用场景。
普通二极管实现基本的整流和开关功能；发光二极管将电能转化为光能，为显示和照明领域提供支持；稳压二极管实现电压稳定，保护电路免受电压波动影响；肖特基二极管适用于高频电路，提高电路性能；光电二极管实现光能与电能的转换，为光通信和光电检测等领域提供解决方案。
二极管的类型及工作原理
二极管的类型及工作原理二极管（Diode）是一种基本的半导体器件，它通常由P型半导体和N型半导体组成。
二极管有许多类型，包括普通二极管、肖特基二极管、肖特基隧道二极管等。
二极管在电子学领域中有着广泛的应用，包括电源供应、信号整形、无线通信、光电探测等。
本文将从二极管的基本工作原理和各种类型进行详细介绍。
一、二极管的基本工作原理1. PN结的形成二极管是由P型半导体和N型半导体通过扩散或外延生长形成PN结，PN结即正负电荷区域。
当P型半导体和N型半导体相连接时，在PN结处形成空间电荷区，这个区域即为耗尽层。
耗尽层内部形成电场，使得P区电子向N区移动，N区空穴向P区移动，形成内建电场。
2. 正向偏置当二极管正向通电时，P区的P型载流子（空穴）和N区的N型载流子（自由电子）受到外加电压的驱动，穿越耗尽层，导致电流流动。
在正向偏置下，二极管的耗尽层变窄，电阻减小，使得电流可以通过二极管，此时二极管处于导通状态。
3. 反向偏置当二极管反向通电时，P区的正电荷和N区的负电荷受到外加电压的驱动，使得耗尽层变宽，电阻增大，导致极小的反向漏电流。
在反向偏置的情况下，二极管处于截止状态，不导通。
二、普通二极管1. 硅二极管硅二极管是最常见的一种二极管，广泛应用于各种电子电路中。
硅二极管具有正向导通压降约0.7V~0.8V，工作温度范围广，稳定性好等特点。
2. 锗二极管锗二极管是二极管的一种，其正向导通压降约为0.3V~0.4V，工作频率范围相对较宽，但稳定性比硅二极管差。
三、损耗二极管1. 肖特基二极管肖特基二极管是一种具有快速开关特性和低漏电流的二极管。
它是由金属和半导体直接接触形成，具有低正向导通压降和快速恢复时间。
肖特基二极管在高频整流电路和开关电源中有着广泛的应用。
2. 肖特基隧道二极管肖特基隧道二极管是一种具有负差阻特性的器件，其反向漏电流与电压成指数关系。
它具有极低的反向漏电流，适用于超低功耗和高灵敏度的电路应用。
二极管的种类
二极管的种类二极管是电子元件中最基本和最常见的一种。
它是一种基于半导体材料制成的控制电流流动方向的器件。
二极管具有两个电极，分别是阳极（Anode，A）和阴极（Cathode，K）。
通过对二极管施加正向电压（正向偏置），就可以促使电流经过二极管；而当施加反向电压时（反向偏置），二极管则会阻止电流的流动。
根据不同的应用场景和电学性能，二极管可以分为多种不同的类型。
下面就让我们来具体了解一下这些二极管的分类和特点。
1. 硅二极管：硅二极管是最常见且使用最广泛的二极管类型之一。
它以硅材料制造，具有较高的工作温度和较低的漏电流。
硅二极管的正向电压降较大，约为0.6-0.7伏特。
在低频和高频电路中，硅二极管经常用作检测、整流和开关器件。
2. 锗二极管：锗二极管是最早被发明和使用的二极管类型之一。
它以锗材料制造，与硅二极管相比，锗二极管具有较低的工作温度和较高的漏电流。
锗二极管的正向电压降约为0.2-0.3伏特。
由于其特殊的电学性能，锗二极管广泛应用于放大器、检波器和高速开关等领域。
3. 快恢复二极管：快恢复二极管（Fast Recovery Diode）具有较高的响应速度和较短的恢复时间。
它们被设计用于需要频繁开关的电路，以减少开关过程中的能量损失。
快恢复二极管通常采用多晶硅材料合金制造，以实现更高的频率响应和更低的开关损耗。
4. 肖特基二极管：肖特基二极管（Schottky Diode）是一种由金属和半导体材料组成的二极管。
它具有较低的正向电压降和较快的开关速度，适用于高频应用。
肖特基二极管在整流器、混频器和功率放大器等电路中发挥重要作用。
5. 整流二极管：整流二极管主要用于将交流信号转换为直流信号。
它们被广泛应用于电源和电子设备中，用于将电源交流电转换为供电设备所需的直流电。
整流二极管具有较高的正向电压降和较大的导通电流承载能力。
6. 可控整流二极管：可控整流二极管，也称为双向可控整流二极管（Thyristor），是一种特殊的二极管，它具有双向导电特性。
半导体二极管的主要参数
1．反向饱和漏电流IR指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。
在常温下，硅管的IR为纳安（10-9A）级，锗管的IR为微安（10-6A）级。
2．额定整流电流IF指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。
目前大功率整流二极管的IF值可达1000A。
3.最大平均整流电流IO在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。
这是设计时非常重要的值。
4.最大浪涌电流IFSM允许流过的过量的正向电流。
它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。
5．最大反向峰值电压VRM即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。
这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。
因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。
最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。
目前最高的VRM值可达几千伏。
6.最大直流反向电压VR上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压时的值。
用于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的.7．最高工作频率fM由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。
点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千赫。
8．反向恢复时间Trr当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。
实际上，一般要延迟一点点时间。
决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。
虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。
也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。
大功率开关管工作在高频开关状态时，此项指标至为重要。
9.最大功率P二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。
最大功率P为功率的最大值。
具体讲就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流。
这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。
二极管及其种类与识别
稳压二极管
稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用！
. 稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 （2）电压温度系数（3）动态电阻（4）稳定电流 ， 最大、最小稳定电流（5）最大允许功耗
稳压二极管
稳压二极管是利用PN结反向击穿特性所表现出的稳压性能制成的器件。 稳压管的主要参数有：①稳压值VZ 。指当流过稳压管的电流为某一规 定值时，稳压管两端的压降。目前各种型号的稳压管其稳压值在2～ 200V，以供选择。②电压温度系数。稳压管的稳压值VZ的温度系数在 VZ低于4V时为负温度系数值；当VZ的值大于7V时，其温度系数为正 值；而VZ的值在6V左右时，其温度系数近似为零。目前低温度系数的 稳压管是由两只稳压管反向串联而成，利用两只稳压管处于正反向工 作状态时具有正、负不同的温度系数，可得到很好的温度补偿。例如 2DW7型稳压管是稳压值为±6～7V的双向稳压管。③动态电阻rZ。表 示稳压管稳压性能的优劣，一般工作电流越大，rZ越小。④允许功耗 PZ。由稳压管允许达到的温升决定，小功率稳压管的PZ值为100～ 1000mW,大功率的可达50W。⑤稳定电流IZ。测试稳压管参数时所加 的电流。实际流过稳压管的电流低于IZ时仍能稳压，但rZ较大。
18
检波二极管
检波的作用是把调制在高频电磁波的低频信号检出来。检波二极管要求结电 容小，反向电流小，所以检波二极管常采用点触式二极管。
变容二极管
变容二极管是利用PN结的空间电荷层具有电容特性的原理制成的特殊二极管。它的特点是 结电容随加到管子上的反向电压大小而变化。在一定范围内，反向偏压越小，结电容越大； 反之，反向电容偏压越大，结电容越小。人们利用变容二极管的这种特性取代可变电容器 的功能。变容二极管多采用硅或砷化镓材料制成，采用陶瓷或环氧树脂封装。变容二极管 在电视机、收音机和录像机中多用于调谐电路和自动频率微调电路中。
二极管的用途和种类
二极管的用途和种类二极管是一种只可以让电流在一个方向上流通的电子器件，被广泛应用于各种电子设备和电路中。
它是由N型半导体和P型半导体组成的晶体管，具有单向导电特性，可以在电子学中光偶合、整流、变频、检波、限幅、稳压、电压调节、放大等方面进行应用。
下面我们将详细介绍二极管的种类和应用。
1.普通二极管普通二极管是最基本的二极管器件，它的主要特点是正向电压小，反向电压大。
常用于整流、限流、稳压等电路中。
2.肖特基二极管肖特基二极管也被称为热电子二极管，由于它的构造与普通二极管不同，特点是正向导通电压低，截止电压高，反向漏电流小。
常用于高频电路和微波电路。
3.恢复二极管5.隧道二极管隧道二极管又被称为双基势垒二极管，它的主要特点是负电阻特性，可以在信号放大、振荡、开关电源等方面进行应用。
6.光电二极管光电二极管也被称为光敏二极管，它的主要特点是将光能转化为电能。
它经过改良可以用于太阳能电池、红外线探测器和光电传感器等方面。
肖特基光伏二极管又被称为太阳电池，它是一种将光能转化为电能的半导体器件，在太阳能领域得到了广泛的应用。
8.集成二极管集成二极管是一种被集成在芯片上的电子器件，可用于微处理器、存储器、数字信号处理器等领域。
1.整流普通二极管经常被应用于整流电路中，可以将交流电转变为直流电。
2.稳压肖特基二极管、肖特基势垒二极管、恢复二极管、稳压管等可以被用于稳压电路中，协助电路实现稳定的电压输出。
3.放大隧道二极管由于具备负电阻特性，因此可以被应用于放大电路中。
4.开关二极管在电路中还可以被用于开关电路中，可以进行快速的打开和关闭操作。
总结：二极管是一种经典的电子器件和半导体材料科学中的基础研究领域，其种类繁多，应用广泛，再加上它具有单向导电特性，因此在电子学中得到了广泛的应用。
这使得二极管成为电子学中不可或缺的元件之一。
1.2 半导体二极管
面接触型管子的特点是，PN 结的结面积大，能通过较大电流，但结电容也大，适用于低频较低整流电路。
半导体二极管半导体二极管是由一个PN 结构成的二端元件。
其端钮有确定的命名，即一端叫阳极a ，一端叫阴极k 。
1.2 半导体二极管1.2.1 半导体二极管结构和类型（1）点接触型二极管（2）面接触型二极管（3）平面型二极管点接触型管子的特点是，PN 结的结面积小，因而结电容小，主要用于高频检波和开关电路。
既不能通过较大电流，也不能承受高的反向电压。
平面型管子的特点是，PN 结的结面积大时，能通过较大电流，适用于大功率整流电路；结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。
1.结构2. 分类普通二极管特殊二极管变容二极管发光二极管光电二极管激光二极管二极管稳压二极管稳压光电转换调谐按材料的不同，常用的二极管有硅管和锗管两种；按其用途二极管分为普通二极管和特殊二极管两大类：整流、滤波、限幅、钳位、检波及开关等。
忽略正向导通压降和电阻，二极管相当短路；二极管反向截止时忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大，二极管相当开路路。
I S uiU R 二极管是一种非线性元件，其特性就是PN 结的特性，而电流i D 与两端的电压u D 的关系近似为：1.2.2 二极管的伏安特性普通二极管是应用PN 结的饱和区、死区和导通区的特性制成的二端元件。
电路符号为：（1）伏安关系（2）理想二极管）（1-=T D V u S D e I i I S —反向饱和电流；V T —温度的电压当量，当常温（T=300K ）时，V T =26mV 。
在正常工作范围内，当电源电压远大于二极管正向导通压降时，可将二极管当作理想二极管处理，其伏安特性如图示。
k a D最大整流电流又称为额定正向平均电流，是指二极管长时间使用时，允许通过的最大正向平均电流。
此值取决于PN 结的面积、材料和散热情况。
1.2.3 二极管的主要电参数1）最大整流电流I F2）最高反向工作电压U R3）最大反向电流I RM I F I RM ui U R 最大反向电流是指二极管加上最高反向工作电压时的反向电流值。
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从图1.1.2（b）的平面示意图可以看出， 硅和锗 原子组成单晶的组合方式是共价键结构。 每个价电子 都要受到相邻的两个原子核的束缚， 每个原子的最外 层就有了八个价电子而形成了较稳定的共价键结构。 所以， 半导体的价电子既不像导体的价电子那样容易 挣脱成为自由电子， 也不像在绝缘体中被束缚的那样 紧。 由于导电能力的强弱， 在微观上看就是单位体 积中能自由移动的带电粒子数目的多少， 因此， 半 导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。
和空穴的数目保持一定。 一般在室温时， 纯硅中的自
由电子浓度n和空穴浓度p为
ni=n=p≈1.5×1010 (个/cm3)
（1-1）
对于纯锗来说， 这个数据约为2.5×1013个/cm3， 而金属导体中的自由电子浓度约为1022个/cm3。 从数字 上可以看出， 本征半导体的导电能力是很差的。 温度 越高， 本征激发越激烈， 产生的自由电子—空穴对越 多， 当半导体重新达到动态平衡时的自由电子或空穴 的浓度就越高， 导电能力就越强。 这实际上就是半导 体材料具有热敏性和光敏性的本质原因。
3. 杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂 质而发生很大的变化。 在半导体硅中， 只要掺入亿分 之一的硼， 电阻率就会下降到原来的几万分之一。 所 以， 利用这一特性， 可以制造出不同性能、 不同用途 的半导体器件， 而金属导体即使掺入千分之一的杂质， 对其电阻率也几乎没有什么影响。
半导体之所以具有上述特性， 根本原因在于其特 殊的原子结构和导电机理。
1.1.2 本征半导体 在近代电子学中， 最常用的半导体材料就是硅和
锗， 下面以它们为例， 介绍半导体的一些基本知识。
一切物质都是由原子构成的， 而每个原子都由带 正电的原子核和带负电的电子构成。 由于内层电子受 原子核的束缚较大， 很难活动， 因此物质的特性主要 由受原子核的束缚力较小的最外层电子， 也就是价电 子来决定。 硅原子和锗原子的电子数分别为14和32， 所以它们最外层的电子都是四个， 是四价元素。 其原 子结构可以表示成如图1.1.1所示的简化模型。
图1.1.1 硅和锗的原子结构简化模型
在实际应用中， 必须将半导体提炼成单晶体—— 使它的原子排列由杂乱无章的状态变成有一定规律、 整齐地排列的晶体结构， 如图1.1.2所示， 称为单晶。 硅和锗等半导体都是晶体， 所以半导体管又称晶体管。 通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。
图1.1.2 本征硅（或锗）的晶体结构 （a） 结构图； （b） 平面示意图与共价键
第1章 基本半导体分立器件
半导体二极管类型 和知识
1.1 半导体的基本知识与PN结 1.2 半导体二极管 1.3 特
1.1.1 半导体的基本特性 在自然界中存在着许多不同的物质， 根据其导电性
能的不同大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。 通常将很容易导电、 电阻率小于10-4Ω·cm的物质， 称 为导体， 例如铜、 铝、 银等金属材料； 将很难导电、 电阻率大于1010Ω·cm的物质， 称为绝缘体， 例如塑料、 橡胶、 陶瓷等材料； 将导电能力介于导体和绝缘体之 间、 电阻率在10-3～109Ω·cm范围内的物质， 称为半导 体。 常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。
图1.1.4 空穴运动
图1.1.5 本征半导体中载流子的导电方式
因此， 半导体中有两种载流子： 一种是带负电荷 的自由电子， 一种是带正电荷的空穴。 它们在外加电 场的作用下都会出现定向移动。 微观上载流子的定向 运动， 在宏观上就形成了电流。 自由电子逆电场方向 移动形成电子电流IN， 空穴顺电场方向移动形成空穴 电流IP， 如图1.1.5所示。 所以半导体在外加电场作用 下， 电路中总的电流I是空穴电流IP和电子电流IN的和， 即
1． 本征激发与复合
在绝对零度（－273 ℃）时， 半导体中的价电 子不能脱离共价键的束缚， 所以在半导体中没有自由 电子， 半导体呈现不能导电的绝缘体特性。
当温度逐渐升高或在一定强度的光照下， 本征硅 或锗中的一些价电子从热运动中获得了足够的能量， 挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷的自由电子。 同时， 在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单 位正电荷电量的空位， 称之为空穴， 也叫空位。 这 种现象， 叫做本征激发。 在本征激发中， 带一个单 位负电荷的自由电子和带一个单位正电荷的空穴总是 成对出现的， 所以称之为自由电子—空穴对， 如图 1.1.3所示。
1. 热敏性
所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升 高而迅速增加。 半导体的电阻率对温度的变化十分敏 感。 例如纯净的锗从20 ℃升高到30 ℃时， 它的电 阻率几乎减小为原来的1/2。
2. 光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特 性叫做光敏性。 一种硫化镉薄膜， 在暗处其电阻为几 十兆欧姆， 受光照后， 电阻可以下降到几十千欧姆， 只有原来的1%。 自动控制中用的光电二极管和光敏电 阻， 就是利用光敏特性制成的。 而金属导体在阳光下 或在暗处， 其电阻率一般没有什么变化。
2． 自由电子运动与空穴运动
经过分析， 我们知道在本征半导体中， 每本征激 发出一个自由电子， 就会留下一个空穴， 这时本来不 带电的原子， 就相当于带正电的正离子， 或者说留下 的这个空穴相当于带一个单位的正电荷。 在热能或外 加电场的作用下， 邻近原子带负电的价电子很容易跳 过来填补这个空位， 这相当于此处的空穴消失了， 但 却转移到相邻的那个原子处去了， 如图1.1.4所示， 价 电子由B到A的运动， 就相当于空穴从A移动到B。
图1.1.3 本征激发产生自由电子—空穴对
自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合
而消失， 叫做复合。 本征激发和复合总是同时存在、
同时进行的， 这是半导体内部进行的一对矛盾运动。
在温度一定的情况下， 本征激发和复合达到动态平衡，
单位时间本征激发出的自由电子—空穴对数目正好等 于复合消失的数目， 这样在整块半导体内， 自由电子