5.3 半导体二极管

 

5.3  半导体二极管

5.3.1  二极管的基本结构

半导体二极管是由PN结的P区和N区分别引出两根电极引线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、结构、符号如图5-12所示。

（a）点接触型                   （b）平面型

（c）面接触型                      （d）符号

图5-12  二极管的外形、结构及符号

二极管的类型很多，按制造二极管的材料分，有硅二极管和锗二极管。从管子的结构来分，有以下几种类型：

（1）点接触型二极管。

（2）面接触型二极管。

（3）硅平面型二极管。

5.3.2  二极管的特性

1．正向特性

正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值后，才有明显的正向电流。该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Ｕ_on表示。在室温下，硅管的Ｕ_on为0.6～0.8V，锗管的Ｕ_on为0.1～0.3V。通常认为，当正向电压Ｕ＜Ｕ_on时，二极管截止；Ｕ＞Ｕ_on时，二极管导通。

2．反向特性

二极管加反向电压，反向电流数值很小，且基本不变，称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安（nΑ）数量级，锗管为微安数量级。当反向电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。

3．二极管的温度特性

二极管的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近，在同一电流下，温度每升高1℃，正向压降减小2～2.5mV；温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。其特性图如图5-13所示。

图5-13  二极管的特性

5.3.3  二极管的主要参数

（1）最大整流电流I_F。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于I_F，如超过I_F二极管将过热而烧毁。此值取决于PN结的面积、材料和散热情况。

（2）最大反向工作电压U_R。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿。为了留有余地，通常取击穿电压的一半作为U_R。

（3）反向电流I_R。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成，所以I_R值受温度的影响很大。

（4）最高工作频率f_M。f_M的值主要取决于PN结结电容的大小， 结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。

（5）二极管的直流电阻R_D。加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比，称为二极管的直流电阻R_D，即

                                                        （5.3.1）

（6）二极管的交流电阻r_d。在二极管工作点附近，电压的微变值ΔU与相应的微变电流值ΔI之比，称为该点的交流电阻r_d，即

                                                  （5.3.2）

从其几何意义上讲，当ΔU→０时

                                                  （5.3.3）

5.3.4  二极管的应用

二极管的运用基础，就是二极管的单向导电特性。因此在应用电路中，关键是判断二极管的导通或截止。二极管可用来进行整流、钳位、限幅等各项工作。

1．整流

所谓整流，就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流电。这些内容将在第12章详细地介绍。

2．限幅电路

当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。通常将输出电压u_o开始不变的电压值称为限幅电平，当输入电压高于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为下限幅。限幅电路如图5-14所示。改变E值就可改变限幅电平。

3．钳位

钳位电路是指输出电压（电位）被钳在某一设计的电位上。电路如图5-15所示。

           

图5-14  单向限幅电路                   图5-15  二极管钳位电路

图5-15中，若A点U_A=0V，二极管VD可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即U_F≈0V。

5.3.5  其他二极管

1．发光二极管

发光二极管的符号如图5-16（a）所示。它是一种将电能直接转换成光能的固体器件。

2．光电二极管

光电二极管的符号如图5-16（b）所示。光电二极管光照增强时，外加反偏压作用下，反向电流增加。

3．光电耦合器件

如果把发光二极管和光电二极管组合构成二极管型光电耦合器件，符号如图5-16（c）所示。

（a）               （b）              （c）

图5-16  几种常见的二极管

4．稳压二极管

硅稳压二极管简称稳压管，是一种特殊的二极管，它与电阻配合具有稳定电压的特点。稳压管的伏安特性曲线和符号如图5-17所示。

                           （a）伏安特性         （b）符号

图5-17  稳压管伏安特性和符号

从特性曲线可以看到：稳压管正向偏置时，其特性和普通二极管一样；反向偏置时，开始一段和二极管一样，当反向电压达到一定数值以后，反向电流突然上升，而且电流在一定范围内增长时，二极管两端电压只有少许增加，变化很小，具有稳压性能。这种“反向击穿”是可恢复的，只要外电路限流电阻保障电流在限定范围内，就不致引起热击穿而损坏稳压管。

稳压管的主要参数：稳定电压、稳定电流、动态电阻、额定功耗等。