1.2　半导体二极管

在PN结的外面装上管壳，再引出两个电极，就可以做成半导体二极管（以下称为二极管）。图1.7所示为二极管的图形符号，其中正极（阳极）从P型区引出，负极（阴极）从N型区引出。

二极管的类型很多，从制造二极管的材料来分，有硅二极管和锗二极管。从管子的结构来分，主要有点接触型和面结型。点接触型二极管的特点是PN结的面积小，因而，管子中不允许通过较大的电流，但是因为它们的结电容也小，可以在高频下工作，适用于检波电路。面接触型二极管则相反，由于PN结的面积大，故允许流过较大的电流，但只能在较低频率下工作，可用于整流电路。此外还有一种开关型二极管，适于在脉冲数字电路中作为开关管。几种常用二极管的外形如图1.8所示。

1.2.1　二极管的单向导电性

1.实验观察

按图1.9所示电路连接电路图，观察两个指示灯的发光情况，说明二极管的工作状态。

用多媒体讲课时，也可以用软件仿真演示。

2.知识探索

实验中当开关S闭合时，电源的正极接二极管VD1的正极，电源的负极通过指示灯L1接二极管VD1的负极。二极管的这种接法称为正向接法或称正向偏置（简称正偏）。

正向接法时，只要在二极管两端加上一定的正向电压（大于电位势垒），即可得到较大的正向电流，所以指示灯发光。

实验中当开关S闭合时，电源的正极接二极管VD2的负极，电源的负极通过指示灯L2接二极管VD2的正极。二极管的这种接法称为反向接法或称反向偏置（简称反偏）。反向接法时，电路中的反向电流很小（约等于零），所以指示灯不亮。

注意

在一定温度下，当外加反向电压超过某个值（大约零点几伏）后，反向电流将不再随着外加反向电压的增加而增大，所以又称为反向饱和电流，通常用符号IS表示。随着温度的升高，IS将急剧增大。

当二极管正向偏置时，所在电路中将产生一个较大的正向电流，二极管处于导通状态；当二极管反向偏置时，所在电路中的反向电流非常小，几乎等于0，二极管处于截止状态。

归纳

二极管具有单向导电性。

1.2.2　二极管的伏安特性

二极管的性能可用其伏安特性来描述。二极管两端电压uD与流过的电流iD间的关系称为伏安特性，二极管的伏安特性可用iD与uD之间关系的函数式iD=f（uD）来表示，也可用iD与uD之间的曲线来表示。

一个典型的二极管的伏安特性曲线如图1.10所示。特性曲线分为两部分：加正向电压时的特性称为正向特性（图中右半部分）；加反向电压时的特性称为反向特性（图中左半部分）。

1.正向特性

当加在二极管上的正向电压比较小时，由于外电场不足以克服内电场对载流子扩散运动造成的阻力，所以正向电流很小，几乎等于零。只有当加在二极管两端的正向电压超过某一数值时，正向电流才明显地增大。正向特性上的这一数值（UD）通常称为“导通电压”或称为“死区电压”，如图1.10所示。导通电压的大小与二极管的材料以及温度等因素有关。一般硅二极管的导通电压为0.6～0.8V，锗二极管的导通电压为0.2～0.3V。

当正向电压超过导通电压以后，随着电压的升高，正向电流将迅速增大。电流与电压的关系基本上是一条指数曲线。

根据半导体物理的原理，可用下式来近似描述二极管的伏安特性：

　　（1.1）

式中，IS为二极管的反向饱和电流；UT是温度的电压当量（在常温下为26mV）。

2.反向特性

由图1.10可见，当在二极管上加上反向电压时，反向电流的值很小。而且当反向电压超过零点几伏以后，反向电流不再随着反向电压而增大，即达到了饱和，这个电流称为反向饱和电流，用符号IS表示。如果使反向电压继续升高，当超过UBR以后，反向电流将急剧增大，这种现象称为击穿，UBR称为反向击穿电压。

二极管发生击穿的原因有两种：一种是空间电荷层里的载流子在外加电压的作用下，获得了足够的能量，和原子碰撞而产生新的载流子，这种过程不断地进行，使得新产生的载流子雪崩式地增长，表现为反向电流急剧增大，二极管出现击穿，这种击穿称为雪崩击穿；另一种是对于掺杂浓度高的PN结，空间电荷层的宽度很薄，所以在较低的反向电压下，空间电荷层中就有较强的电场，足以把空间电荷层里的半导体原子中的价电子从共价键中激发出来，使反向电流突然增大，出现击穿，这种击穿称为齐纳击穿。击穿电压高于7V时为雪崩击穿，击穿电压低于4V时为齐纳击穿。

注意

发生击穿并不意味着二极管被损坏。实际上，当反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值，不使其过大，以免因过热而烧坏二极管，则当反向电压降低时，二极管的性能可以恢复正常。

提示

二极管反向击穿分两种：当二极管反向击穿后，反向电流还不太大时，二极管的功耗不大，PN结的温度没有超过允许的最高结温，二极管（PN结）仍不会损坏，一旦降低反向电压，二极管仍能正常工作，这种击穿是可逆的，称为电击穿；当发生电击穿后，若仍继续增加反向电压，反向电流也随之增大，管子会因功耗过大使PN结的温度超过最高允许的温度而烧坏，造成二极管的永久性损坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。

1.2.3　二极管的主要参数

半导体（电子）器件的参数是其特性的定量描述，也是实际工作中根据要求选用器件的主要依据。各种器件的参数可由手册查得。二极管的主要参数有以下几个。

1.最大整流电流IF

指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值由二极管面积和散热条件所决定。使用时，管子的平均电流不得超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。

2.最高反向工作电压UR

工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为最高反向工作电压UR。

3.反向电流IR

反向电流IR指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。反向电流愈小，说明二极管的单向导电性愈好。此外，由于反向电流是由少数载流子形成的，所以IR受温度的影响很大。

4.最高工作频率fM

最高工作频率fM主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。

思考题

1.二极管有几种结构类型？各适用于什么场合？

2.二极管的伏安特性曲线分为哪几个部分？各有什么特点？

3.二极管导通电压和击穿电压哪一个电压较大？当温度升高时，其导通电压如何变化？

4.理想情况下，二极管在什么偏置下相当于一个开关的打开和闭合？

5.何时二极管会产生反向击穿的现象？