第一章  半导体器件基础

---

知识点二：半导体二极管

（一）二极管的结构及符号

导体二极管（以下简称二极管）是一个外加引线和管壳的PN结，同PN结一样具有单向导电性，二极管半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等；按其内部结构的不同个分为点接触型、面接触型和平面型3类，如图1.10所示。

点接触型二极管PN结结面积小，结电容小，不允许通过很大的电流和承受较高的反向电压，但其高额性能好，适于做高频检波、小功率电路和脉冲电路的开关元件；面接触型二极管PN结结面积大，结电容大，可以通过很大的电流，能承受较高的反向电压，不宜用于高频电路，但是适用于整流电路；平面型的二极管适于用作大功率开关管。

图1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。

常见的二极管有金属、塑料和玻璃封装3种。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，图1.12所示为几种常见的二极管外形。

(二) 二极管的伏安特性和主要参数

1. 二极管的伏安特性

二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。

二极管的伏安特性可以通过实验数据来说明。表1.1和表1.2分别给出二极管2CP31加正向电压和反向电压时，实验所得的该二极管两端电压U和流过电流I的一组数据。

将实验数据绘成曲线，可得到二极管的伏安特性曲线如图1.13所示。

⑴正向特性

二极管加正向电压时的电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图1.13所示，当二极管所加正向电压比较小时，二极管上流经的电流为0，管子仍截至，此区域称为死区，称为死区电压(门坎电压)。硅二极管的约为0.5V，锗二极管的约为0.1V。

当二极管的所加正向电压大于死区电压时，正向电流增加，管子导通。电流随电压的增大而上升，这时二极管呈现的电阻很小，可认为二极管处于正向导通状态。

硅二极管的正向导通压降约为0.7V，锗二极管的正向导通压降约为0.3V。

⑵反向特性

二极管外加反向电压时的电流和电压的关系称为二极管的反向特性。由图1.13可见，二极管外加反向电压时，反向电流很小（I≈-IS）而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此称此电流值为二极管的反向饱和电流。这时二极管呈现的电阻很大，认为管子处于截止状态。

一般硅二极管的方向电流比锗管小很多。

⑶反向击穿特性

由图1.13可见，当反向电压的值增大到UBR 时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR称为反向击穿电压。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作者反向击穿区。

2.二极管的温度特性

二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/℃）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10℃，反向电流大约增加一倍。图1.14所示为温度对二极管伏安性的影响。利用二极管的温度特性，可以制作温敏二极管器件，实现对温度的检测及自动控制。

3.二极管的主要参数

⑴最大整流电流

最大整流电流（IF）是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。当电流流经PN结时，会引起管子发热，温度上升，如果电流太大，使温度超过允许限度（硅管为140℃左右，锗管为90℃左右）时，会烧坏管子。实际应用中，正向平均电流不能超过此值，否则二极管会因过热而损坏。点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安下。面接触型二极管的最大整流电流较大，如2CP10型硅二极管的最大整流电流为100mA。

⑵反向击穿电压

反向击穿电压（UBR）是指二极管击穿时的电压值。一般手册中给出的最高反向工作电压（峰值）URM约为击穿电压的一半，以确保管子的安全工作。如2CP10型硅二极管的反向击穿电压约为50V，而反向工作峰值电压为25V。

⑶反向饱和电流

反向饱和电流（Is）是指管子没有击穿时的反向电流值。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。

（三）特殊二极管

1.稳压二极管

稳压二极管又名齐纳二极管，简称稳压管，是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管，这种管子的杂质浓度比较大，容易发生击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区。

⑴稳压管的伏安性和符号

图1.15所示为稳压管的伏安性和符号。稳压管的伏安性和普通二极管类似，当它的反向击穿性比较陡直，而且其反向击穿是可逆的。在一定的电流范围内，不会发生“热击穿”，当去掉反向电压后，稳压管又恢复正常。从图1.15所示反向击穿特性可以看出，稳压管反向击穿后，电流可以在相当大的范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中可以起稳压作用。

⑵稳压管的主要参数

①稳定电压UZo它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中其两端产生的温度电压值。此电压值在3V到几百伏之间。由于制作工艺的原因，同一型号的稳压管其稳定电压 UZ的分散性仍较大，因此手册中给出的都是某一型号稳压管的稳压范围。但对某一只稳压管而言，其稳定电压UZ是一定的。如型号为2CW74稳压管，稳压范围为9.2～10.5V。

②稳定电流IZo稳定电流为稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。若稳压管中流过的电流小于IZmin，稳压管没有稳压作用；若稳压管中流过的电流大于IZmax，稳压管会因过流而损坏。

③最大耗散功率PM。它是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。若使用中稳压管的功率损耗超过此值，管子会因过热而损坏。稳压管的最大功率损耗和PN结的面积、散热等条件有关。由耗散功率PM和稳定电压UZ可以决定最大稳定电流IZmax。反向工作时PN的功率消耗为Pz=UZIZ。

⑶应用稳压管应注意的问题

①稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保证管子工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压值小于UZ，稳压二极管相当于普通的二极管。

②在稳压管稳压电路中，一定要配合限流电阻的使用，保证稳压管中流过的电流值规定的电流范围之内。

⑷稳压管应用电路

【例1-1】 如图1.16所示的稳压管稳压电路，若限流电阻R=1.6K ,UZ=12V，IZmax=18mA,通过稳压管的电流IZ等于多少？限流电阻的值是否合适？

【例1-2】稳压管限幅电路。如图1.17所示，输入电压ui是幅度为10v的正弦波，电路中使用两个稳压管对接，已知Uz1=6V,Uz2=3V,稳压二极管的正向导通压降为0.7V，试对应输入电压u0画出输出电压u0的波形。

解：输出电压u0波形如图1.17所示，u0被限定在-6.7～+3.7v之间。

2. 发光二极管

发光二极管是一种光发射器件，英文简称是LED。此类管子通常由镓（Ga）砷（As）磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，但导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄 橙 绿白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料，如用砷化镓发出红光，而用磷化镓则发出绿光。其中白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、照明灯领域。

发光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料的不同而不同，一般为1.7～2.4v.普通绿、黄、红、橙色发光二极管工作电压约为2V；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电压一般高于3.3V。发光二极管的工作电流一般在2～25mA的范围内。

发光二极管应用非常广泛，常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示灯和信号指示灯，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。普通发光二极管的外形和符号如图1.18所示。

各种类型的发光二极管参数列表，参见本书附录A实用资料速查A.2.4部分。

3. 光电二极管

光电二极管又被称为光敏二极管，它是一种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。

图1.19所示为光电二极管的符号和基本电路。此类管子管壳上有一个玻璃窗口，以便接受光照。当窗口受到光照时，形成反向电流IRL ，通过回路中的电阻RL，就可得到电压信号，从而实现光电转换。光电二极管受到的光照越强，反向电流也就越大，即它的反向电流与光照度成正比。

光电二极管的应用非常广泛，可用于光测量、光电控制等，如遥控接收器、光纤通信、激光头中都离不开光电二极管。另外，大面积的光电二极管可当作一种能源器件，即光电池，这是极有发展前途的绿色能源。

4. 变容二极管

图1.20所示为变容二极管的符号。此种管子是利用PN结的电容效应进行工作的，它工作在反向偏置状态。当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。

变容二极管可当作可变电容使用，主要用在高频技术中，如高频电路中的变频器、电视机中的调谐回路都用到变容二极管。

5. 激光二极管

激光二极管是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔。工作时接正向电压，可发射出激光。

激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器、激光打印机中的打印头、激光唱机、激光影碟机中都有激光二极管。