晶体二极管

1.3 晶体二极管1.3.1 二极管的结构与伏安特性一、二极管的结构晶体二极管也称半导体二极管，它是在PN结上加接触电极、引线和管壳封装而成的。

按其结构，通常有点接触型和面结型两类。

常用符号如图1.3.1中V、VD（本书采用D）来表示。

点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合，（如图1.3.2）。

面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合，（如图1.3.3）。

平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合，（如图1.3.4）。

图1.3.1 半导体二极管的电路符号图1.3.2 点触型二极管的结构图1.3.3 面结型二极管的结构图1.3.4 平面型二极管的结构按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有普通二极管、整流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极管、变容二极管、光电二极管等。

二、二极管的伏安特性二极管是由一个PN结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通常主要用它的伏安特性来表示。

二极管的伏安特性是指流过二极管的电流i D与加于二极管两端的电压u D之间的关系曲线。

用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的U～I曲线，称二极管的伏安特性曲线，如图1.3.5所示。

1. 正向特性由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。

这段曲线称为死区。

当正向电压升高到一定值Uγ（U th、V j）以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。

Uγ被称为门限电压或阀电压。

Uγ视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.1V左右。

在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压Uγ的值，如图中虚线与uD轴的交点。

当正向电压大于Uγ以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。

把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用U F来表示。

通常，硅管的导通电压约为0.6～0.8V （一般取为0.7V），锗管的导通电压约为0.1～0.3V（一般取为0.2V）。

2. 反向特性当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。

这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流I R（I S）。

反向电流很小，且几乎不随反向电压的增大而增大（在一定的范围内），如图1.3.5所示。

但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。

常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，锗管的反向电流在µA数量级。

图1.3.5 二极管的伏安特性3. 反向击穿特性当反向电压增大到一定数值U BR时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，U BR（或用V B表示）称为击穿电压，U BR视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。

击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。

4. 二极管伏安特性的数学表达式由理论分析可知，二极管的伏安特性可近似用下面的数学表达式来表示：)1()(−=T DV u sat R D e I i式中，i D 为流过二极管的电流，u D 。

为加在二极管两端的电压，V T 称为温度的电压当量，与热力学温度成正比，表示为V T = kT/q 其中T 为热力学温度，单位是K ；q 是电子的电荷量，q=1.602×10-19C ；k 为玻耳兹曼常数，k = 1.381×10-23 J ／K 。

室温下，可求得V T = 26mV 。

I R （sat ）是二极管的反向饱和电流。

5. 温度对二极管伏安特性的影响二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。

一般在室温附近，温度每升高1°C ，其正向压降减小2～2.5mV ；温度每升高10°C ：，反向电流大约增大1倍左右。

综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：① 二极管具有单向导电性；② 二极管的伏安特性具有非线性；③ 二极管的伏安特性与温度有关。

1.3.2 二极管的主要参数描述二极管特性的物理量称为二极管的参数，它是反映二极管电性能的质量指标，是合理选择和使用二极管的主要依据。

在半导体器件手册或生产厂家的产品目录中，对各种型号的二极管均用表格列出其参数。

二极管的主要参数有以下几种：1. 最大平均整流电流I F （A V ）I F （A V ）是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。

它与PN 结的面积、材料及散热条件有关。

实际应用时，工作电流应小于I F （A V ），否则，可能导致结温过高而烧毁PN 结。

2. 最高反向工作电压V RMV RM 是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。

实际应用时，当反向电压增加到击穿电压V BR 时，二极管可能被击穿损坏，因而，V RM 通常取为（1/2-2/3）V BR 。

3. 反向电流I RI R 是指二极管未被反向击穿时的反向电流。

理论上I R = I R （sat ），但考虑表面漏电等因素，实际上I R 稍大一些。

I R 愈小，表明二极管的单向导电性能愈好。

另外，I R 与温度密切相关，使用时应注意。

4. 最高工作频率f Mf M 是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。

实际应用时，不要超过此值，否则二极管的单向导电性将显著退化。

f M 的大小主要由二极管的电容效应来决定。

5. 二极管的电阻就二极管在电路中电流与电压的关系而言，可以把它看成一个等效电阻，且有直流电阻与交流电阻之别。

（1）直流等效电阻R D直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压U D 与流过二极管的直流电流I D 之比，即： DD D I U R = R D 的大小与二极管的工作点有关。

通常用万用表测出来的二极管电阻即直流电阻。

不过应注意的是，使用不同的欧姆档测出来的直流等效电阻不同。

其原因是二极管工作点的位置不同。

一般二极管的正向直流电阻在几十欧姆到几千欧姆之间，反向直流电阻在几十千欧姆到几百千欧姆之间。

正反向直流电阻差距越大，二极管的单向导电性能越好。

（2）交流等效电阻r dQ DD d di du r )(= r d 亦随工作点而变化，是非线性电阻。

通常，二极管的交流正向电阻在几～儿十欧姆之间。

需要指出的是，由于制造工艺的限制，即使是同类型号的二极管，其参数的分散性很大。

通常半导体手册上给出的参数都是在一定测试条件下测出的，使用时应注意条件。

1.3.3 二极管的等效电路与开关特性一、二极管的电容效应二极管具有电容效应。

它的电容包括势垒电容C B 和扩散电容C D 。

1. 势垒电容C B （C r ）前面已经讲过，PN 结内缺少导电的载流子，其电导率很低，相当于介质；而PN 结两侧的P 区、N 区的电导率高，相当于金属导体。

从这一结构来看，PN 结等效于一个电容器。

事实上，当PN 结两端加正向电压时，PN 结变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容“放电”，当PN 结两端加反向电压时，PN 结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容“充电”。

这种现象可以用一个电容来模拟，称为势垒电容。

势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。

当外加反向电压增大时，势垒电容减小；反向电压减小时，势垒电容增大。

目前广泛应用的变容二极管，就是利用PN 结电容随外加电压变化的特性制成的。

2. 扩散电容C DPN 结正向偏置时，N 区的电子向P 区扩散，在P 区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，即靠近PN 结一侧浓度高，远离PN 结的一侧浓度低。

显然，在P 区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；同样，在N区也积累了空穴，即存贮了一定数量的正电荷。

当正向电压加大时，扩散增强，这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电。

相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电。

因此，可以用一个电容来模拟，称为扩散电容。

总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容C j相当于两者的并联，即C j＝C B + C D。

二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容C j≈C D；而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，C j≈C B。

二、二极管的等效电路二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。

为了使电路的分析简化，可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。

使线性电路的电压、电路关系和二极管外特性近似一致，那么这个线性电路就称为二极管的等效电路。

显然等效电路是在一定条件下的近似。

二极管应用于直流电路时，常用一个理想二极管模型来等效，可把它看成一个理想开关。

正偏时，相当于“开关”闭合（ON），电阻为零，压降为零；反偏时，相当于“开关”断开（OFF），电阻为无限大，电流为零。

由于理想二极管模型突出表现了二极管最基本的特性——单向导电性，所以广泛应用于直流电路及开关电路中。

在直流电路中如果考虑到二极管的电阻和门限电压的影响。

实际二极管可用图1.3.6所示的电路来等效。

图1.3.6 实际二极管模型在二极管两端加直流偏置电压和工作在交流小信号的条件下，可以用简化的电路来等效。

图中r s为二极管P区和N区的体电阻。

三、二极管的开关特性二极管正偏时导通，相当于开关的接通；反偏时截止相当于开关的断开，表明二极管具有开关特性。

不过一个理想的开关，在接通时开关本身电阻为零，压降为零，而断开时电阻为无穷大，电流为零，而且要求在高速开关时仍具有以上特性，不需要开关时间。

但实际二极管作为开关运用，并不是太理想的。

因为二极管正向导通时，其正向电阻和正向降压均不为零；反向戳止时，其反向电阻也不是无穷大，反向电流也不为零。

并且二极管开、关状态的转换需要一定时间. 这就限制了它的开关速度。

因此作开关时，应选用正向电阻R F小、反向电阻R R大、开关时间小的开关二极管。

1.3.4 稳压二极管硅稳压二极管（简称硅稳压管）实质上是一个硅晶体二极管。

稳压二极管的实例和管子的符号如图1.3.7所示。

图1.3.7 稳压二极管实例与符号一、二极管的击穿现象由二极管的伏安特性可知，当加于它两端的反偏电压超过反向击穿电压之后，二极管将发生击穿现象。

二极管的击穿通常有三种情况，即雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。

1. 雪崩击穿对于掺杂浓度较低的PN结，结较厚，当外加反向电压高到一定数值时，因外电场过强，使PN 结内少数载流子获得很大的动能而直接与原子碰撞，将原子电离，产生新的电子空穴对，由于链锁反应的结果，使少数载流子数目急剧增多，反向电流雪崩式地迅速增大，这种现象叫雪崩击穿。