深入解剖半导体二极管及其应用

电子电路区别于以前所学电路的主要特点是电路中引入各种电子器件。电子器件的类型很多，目前使用得最广泛的是半导体器件——二极管、稳压管、晶体管、绝缘栅场效应管等。由于本课程的任务不是研究这些器件内部的物理过程，而是讨论它们的应用，因此，在简单介绍这些器件的外部特性的基础上，讨论它们的应用电路。

　　4.1 PN结和半导体二极管

　　4.1.1 PN结的单向导电性

　　我们在物理课中已经知道，在纯净的四价半导体晶体材料(主要是硅和锗)中掺入微量三价(例如硼)或五价(例如磷)元素，半导体的导电能力就会大大增强。这是由于形成了有传导电流能力的载流子。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或P型半导体。在掺杂半导体中多数载流子(称多子)数目由掺杂浓度确定，而少数载流子(称少子)数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。

　　在一块半导体基片上通过适当的半导体工艺技术可以形成P型半导体和N型半导体的交接面，称为PN结。 PN结具有单向导电性：当PN结加正向电压时，P端电位高于N端，PN结变窄,由多子形成的电流可以由P区向N区流通，见图4-1 (a),而当PN结加反向电压时，N端电位高于P端，PN结变宽,由少子形成的电流极小，视为截止(不导通)，见图4-1 (b)。

　　4.1.2 半导体二极管

　　半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。二极管的种类很多，按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种;按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种;按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种。

　　图4-2是常用二极管的符号、结构及外形的示意图。二极管的符号如图4-2(a)所示。箭头表示正向电流的方向。一般在二极管的管壳表面标有这个符号或色点、色圈来表示二极管的极性，左边实心箭头的符号是工程上常用的符号，右边的符号为新规定的符号。从工艺结构来看，点接触型二极管(一般为锗管)如图4-2(b)其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件;面接触型二极管(一般为硅管)如图4-2(c)其特点是结面积大，结电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流;硅平面型二极管如图4-2(d)，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。

　　4.1.3 二极管的伏安特性

　　二极管的电流与电压的关系曲线I = f(V)，称为二极管的伏安特性。其伏安特性曲线如图4-3所示。二极管的核心是一个PN结，具有单向导电性，其实际伏安特性与理论伏安特性略有区别。由图4-3可见二极管的伏安特性曲线是非线性的，可分为三部分：正向特性、反向特性和反向击穿特性

　　1. 正向特性

　　当外加正向电压很低时，管子内多数载流子的扩散运动没形成，故正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电流，这个电压值称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V，当正向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，硅管正向压降约为0.6～0.7V　，锗管的正向压降约为0.2～0.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，如图4-3所示，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研究表明，温度每升高10C　，正向压降减小 2mV。

　　2. 反向特性

　　二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十μA，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1μA以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表明，温度每升高100C　，反向电流近似增大一倍。

　　3.　反向击穿特性

　　当二极管的外加反向电压大于一定数值(反向击穿电压)时，反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上

　　4.1.4　二极管的主要参数

　　二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，参数同样能反映出二极管的电性能,器件的参数是正确选择和使用器件的依据。各种器件的参数由厂家产品手册给出，由于制造工艺方面的原因，既使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册常给出某个参数的范围，半导体二极管的主要参数有以下几个

　　1.最大整流电流IDM

　　IDM指的是二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。在使用时，若电流超过这个数值，将使PN结过热而把管子烧坏

　　2.反向工作峰值电压VRM

　　VRM是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。一般这个参数是二极管反向击穿电压的一半，若反向电压超过这个数值，管子将会有击穿的危险。

　　3.反向峰值电流IRM

　　IRM是指二极管加反向电压VRM时的反向电流值，IRM越小二极管的单向导电性愈好。IRM受温度影响很大，使用时要加以注意。硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。

　　4.最高工作频率ƒM

　　二极管在外加高频交流电压时，由于PN结的电容效应，单向导电作用退化。ƒM指的是二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。4.1.5　二极管的等效电路及其应用

　　由于二极管的伏安特性是非线性的，为了分析计算方便，在特定的条件下，我们可以将其线性化处理，视为理想元件。

　　1.理想二极管等效电路

　　在电路中，若二极管导通时的正向压降远小于和它串联元件的电压，二极管截止时反向电流远小于与之并联元件的电流，那么可以忽略管子的正向压降和反向电流把二极管理想化为一个开关，当外加正向电压时，二极管导通，正向压降为0，相当于开关闭合，当外加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，相当于开关断开，理想二极管的等效电路如图4-4。利用理想二极管表示实际二极管进行电路的分析和计算可以得出比较满意的结果，但稍有一些误差。

　　2.二极管应用电路举例

　　二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。下面介绍几种应用电路。

　　(1) 限幅电路：限幅器的功能就是限制输出电压的幅度。

　　例4-1　图4-5(a)就是利用二极管作为正向限幅器的电路图。已知vi = Vmsinωt，且Vm>VS　，试分析工作原理，并作出输出电压vo的波形。

　　解：a) 二极管导通的条件是vi>VS，由于D为理想二极管，D一旦导通，管压降为零，此时vo = VS

　　b) 当vi≤VS时，二极管截止，该支路断开，R中无电流，其压降为0。 所以vo =vi

　　c) 根据以上分析，可作出vo的波形，如图4-5(b)所示，由图可见，输出电压的正向幅度被限制在VS值。

　　注意：作图时，vo和vi的波形在时间轴上要对应，这样才能正确反映vo的变化过程。

　　(2) 二极管门电路

　　门电路是一种逻辑电路，在输入信号(条件)和输出信号(结果)之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号0和1来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。

　　基本的逻辑关系有三种：与逻辑、或逻辑、非逻辑。与此相对应的门电路就有与门、或门、非门。由这三种基本门电路可以组成其他多种复合门电路。

　　例4-2 图 4-6所示为最简单的与门电路及逻辑图符号。它是由二极管D1、D2和电阻R及电源VCC组成。图中A、B为两个输入端，F为输出端。设VCC=5V，A、B输入端的高电平(逻辑1)为3V，低电平(逻辑0)为0V， 并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。试分析电路的输入与输出之间的关系。

　　解：(1)当输入端A、B均为低电平0时，即VA = VB = 0V时，二极管D1、D2均为正向偏置而导通，使输出端F的电压VF = 0V，即输出端F为低电平0。

　　(2)当输入端A为低电平0，B为高电平1，即VA = 0V，VB = 3V时，D1阴极电位低于D2阴极电位，D1导通，使VF = 0V，因而D2为反向偏置而截止，输出端F为低电平0。

　　(3)当输入端A为高电平1，B为低电平0，即VA = 3V，VB = 0V时，D1、D2的工作情况与(2)相反，输出端F仍为低电平0。

　　(4)当输入端A、B均为高电平1时，即VA = VB = 3V时，D1、D2均为正向偏置而导通，使输出端F的电压VF = 3V，即输出端F为高电平1。

　　从上述分析可知，只有当所有输入端都是高电平1时，输出端才是高电平1，否则输出端均为低电平0。这种“只有当决定一事件结果的所有条件都满足时，结果才发生”的逻辑关系称为与(And)逻辑，与门电路满足与逻辑关系。与逻辑也称为逻辑乘、与运算。通常用符号“· ”表示，设A、B、F分别为逻辑变量，则与运算的表达式可写成以下形式：

　　F=A·B 或 F=AB

　　上式读作F等于A与B。逻辑与的含义是：只有输入变量A、B都为1 时，输出变量F才为1;只要A、B中有一个为0，F便为0。换言之，也就是“有0出0，全1出1”。这一结论也适合于有多个变量参加的与运算。

　　表4-1列出了图4-6所示电路输入与输出逻辑电平的关系。但在逻辑电路分析中，通常用逻辑0、1来描述输入与输出之间的关系，所列出的表称为真值表(即逻辑状态表)。上述与门的真值表如表4-2所示。

　　另外，图4-7给出了或门电路及逻辑图符号。它也是由二极管和电阻组成的。图中A、B是两个输入端，F是输出端。设A、B输入端的高电平(逻辑1)为3V，低电平(逻辑0)为0V， 并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。通过分析(详细过程读者可以自己分析)可知，只要A 、B当中有一个是高电平(逻辑1)输出就是高电平(逻辑1)。只有当A、 B同时为低电平(逻辑0)时，输出才是低电平(逻辑0)。这种“在决定一事件结果的所有条件中，只要有一个或一个以上满足时结果就发生”的逻辑关系称或(Or)逻辑。或门电路满足或逻辑关系。

　　或逻辑也称为逻辑加、或运算。通常用符号“+”来表示，设A、B、F分别为逻辑变量，则或运算的表达式可写成以下形式：

　　F=A+B

　　上式读作F等于A或B。逻辑或的含义是：只有输入变量A、B中有一个或一个以上为1， 输出变量F就为1;反之，只有A、B全为0时，F才为0。换言之，也就是“有1出1，全0出0”。这一结论也适合于有多个变量参加的或运算

　　表4-3列出了图4-7所示电路输入与输出逻辑电平的关系。表4-4为上述或门的真值表。

　　4.2　特殊二极管

　　除了上述普通二极管外，还有一些特殊二极管，如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等，分别介绍如下。

　　4.2.1 稳压管

　　稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作用。图4-8(a)为稳压管在电路中的正确联接方法;图(b)和图(c)为稳压管的伏安特性及图形符号。稳压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在PN结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏。从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较小时，反向电流几乎为零，当反向电压增高到击穿电压Vz(也是稳压管的工作电压)时，反向电流Iz(稳压管的工作电流)会急剧增加，稳压管反向击穿。在特性曲线ab段，当Iz在较大范围内变化时，稳压管两端电压Vz基本不变，具有恒压特性，利用这一特性可以起到稳定电压的作用。

　　稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的，只要不超过稳压管的允许值，PN结就不会过热损坏，当外加反向电压去除后，稳压管恢复原性能，所以稳压管具有良好的重复击穿特性。

　　稳压管的主要参数有：

　　1.稳定电压VZ。稳定电压VZ指稳压管正常工作时，管子两端的电压，由于制造工艺的原因，稳压值也有一定的分散性，如2CW14型稳压值为6.0～7.5V。

　　2.动态电阻rz。动态电阻是指稳压管在正常工作范围内，端电压的变化量与相应电流的变化量的比值。

　　稳压管的反向特性愈陡，rZ愈小，稳压性能就愈好

　　3. 稳定电流IZ。稳压管正常工作时的参考电流值，只有I≥IZ，才能保证稳压管有较好的稳压性能。

　　4.最大稳定电流IZmax 。允许通过的最大反向电流，I > IZmax管子会因过热而损坏。

　　5. 最大允许功耗PZM。管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM =VZ IZmax

　　6.电压温度系数αV。温度变化10C时，稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电压温度系数越小，温度稳定性越好，通常硅稳压管在VZ低于4V时具有负温度系数,高于6V时具有正温度系数, VZ在4～6V之间，温度系数很小。

　　稳压管正常工作的条件有两条，一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。当稳压管正偏时，它相当于一个普通二极管。图4-8(a)为最常用的稳压电路，当Vi或RL变化时，稳压管中的电流发生变化，但在一定范围内其端电压变化很小，因此起到稳定输出电压的作用。(该电路分析见4.4节)

　　4.2.2 光电二极管

　　光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电二极管的等效电路如图4-9(a)所示，图4-9(b)为光电二极管的符号。

　　暗电流：无光照时的反向饱和电流。一般<1μA。

　　光电流：指在额定照度下的反向电流，一般为几十毫安。

　　灵敏度：指在给定波长(如0.9μm)的单位光功率时，光电二极管产生的光电流。一般≥0.5μA/μW。

　　峰值波长：使光电二极管具有最高响应灵敏度(光电流最大)的光波长。一般光电二极管的峰值波长在可见光和红外线范围内。

　　响应时间：指加定量光照后，光电流达到稳定值的63%所需要的时间，一般为10-7S。

　　光电二极管作为光控元件可用于各种物体检测、光电控制、自动报警等方面。当制成大面积的光电二极管时，可当作一种能源而称为光电池。此时它不需要外加电源，能够直接把光能变成电能。4.2.3 发光二极管

　　发光二极管是一种将电能直接转换成光能的半导体固体显示器件，简称LED(Light Emitting Diode)。和普通二极管相似，发光二极管也是由一个PN结构成。发光二极管的PN结封装在透明塑料壳内，外形有方形、矩形和圆形等。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示等电路中。在电子技术中常用的数码管，就是用发光二极管按一定的排列组成的

　　发光二极管的原理与光电二极管相反。当这种管子正向偏置通过电流时会发出光来，这是由于电子与空穴直接复合时放出能量的结果。它的光谱范围比较窄，其波长由所使用的基本材料而定。不同半导体材料制造的发光二极管发出不同颜色的光，如磷砷化镓(GaAsP)材料发红光或黄光，磷化镓(GaP)材料发红光或绿光，氮化镓(GaN)材料发蓝光，碳化硅(SiC)材料发黄光，砷化镓(GaAs)材料发不可见的红外线。

　　发光二极管的符号如图4-10所示。它的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为0.9~1.1V，其正向工作电压为1.5~2.5V,工作电流为5~15mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。

　　4.3 二极管整流及滤波电路

　　电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成可以用图4-11表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。

　　电源变压器是将交流电网电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动(一般有±10%左右的波动)、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

　　4.3.2 滤波电路

　　整流电路虽将交流电变为直流，但输出的却是脉动电压。这种大小变动的脉动电压，除了含有直流分量外，还含有不同频率的交流分量，这就远不能满足大多数电子设备对电源的要求。为了改善整流电压的脉动程度，提高其平滑性，在整流电路中都要加滤波器。下面介绍几种常用的滤波电路。

　　1.电容滤波电路

　　电容滤波电路是最简单的滤波器它是在整流电路的输出端与负载并联一个电容C而组成。如图4-15(a)所示。

　　电容滤波是通过电容器的充电、放电来滤掉交流分量的。图4-15(b)的波形图中虚线波形为半波整流的波形。并入电容C后，在v2>0时，D导通，电源在向RL供电的同时，又向C充电储能，由于充电时间常数很小(绕组电阻和二极管的正向电阻都很小)，充电很快，输出电压vo随v2上升，当vC =后，v2开始下降v2 vC时C又被充电vo = v2又上升。直到v2

　　为了达到式(4-10)的取值关系，获得比较平直的输出电压，一般要求

　　式中T电源交流电压的周期。

　　此外，由于二极管的导通时间短(导通角小于1800)，而电容的平均电流为零，可见二极管导通时的平均电流和负载的平均电流相等，因此二极管的电流峰值必然较大，产生电流冲击，容易使管子损坏。

　　具有电容滤波的整流电路中的二极管，其最高反向工作电压对半波和全波整流电路来说是不相等的。在半波整流电路中，要考虑到最严重的情况是输出端开路，电容器上充有V2m，而v2处在负半周的幅值时，这时二极管承受了2V2的反向工作电压。它与无滤波电容时相比，增大了一倍。

　　对于单相桥式整流电路而言，无论有无滤波电容，二极管的最高反向工作电压都是V2。

　　关于滤波电容值的选取应视负载电流的大小而定。一般在几十微法到几千微法，电容器耐压值应大于输出电压的最大值。通常采用极性电容器。