第二节　半导体二极管

一、二极管的结构

二极管是最简单的半导体器件，由一个PN结构成。在PN结的两个区分别引出电极引线，并用一定的外壳封装，就制成了半导体二极管，其结构示意图如图1-6（a）所示。

从P区引出的电极称为正极（或阳极），从N区引出的电极称为负极（或阴极）。二极管的图形符号如图1-6（b）所示，三角箭头的方向表示二极管正向电流的流通方向，正向电流只能由P区流向N区，二极管的文字符号用VD表示。由于用途和封装的不同，二极管的外形各异，几种常见的二极管外形如图1-6（c）所示。

二极管的种类很多，按所用的半导体材料分，有硅二极管、锗二极管、砷化镓二极管等，其中硅二极管的热稳定性比锗二极管好得多；按功率分，有小功率管和大功率管；按用途分，有普通二极管、整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、变容二极管、发光二极管等；按结构分，有点接触型、面接触型和平面型三类，如图1-7所示。

点接触型二极管由于PN结面积小，结电容小，适用于在较高频率下工作，但允许通过的正向电流小，主要用于高频检波和小电流整流；面接触型二极管由于PN结面积大，结电容大，故只能在较低频率下工作，但它允许通过的正向电流大，可用于大功率整流电路，如电源整流；平面型二极管根据工艺方法不同，结面积可大可小，结面积大的适用于低频大电流整流，结面积小的适用于在数字电路中作开关管，这种工艺的PN结是集成电路常见的一种形式。

二、二极管的伏安特性

从结构组成可知，二极管实质上就是一个PN结，因此二极管的主要特性就是单向导电性。所谓伏安特性，就是加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系，它能全面反映二极管的主要特点和性能，是选择和使用二极管的重要依据。二极管的伏安特性可用伏安特性曲线或伏安特性方程来描述。

1.二极管的伏安特性曲线

将二极管两端的电压与流过的电流在坐标平面内建立起对应关系，所得的曲线就是二极管的伏安特性曲线。可以通过实验电路测量电压、电流数据，然后用描点法绘出二极管的伏安特性曲线，或是用晶体管特性图示仪直接观察，可得如图1-8所示的曲线。

二极管的伏安特性曲线可分成三部分来讨论：

（1）正向特性。正向特性是指二极管外加正向电压时的特性，即二极管阳极接电源正极，阴极接电源负极时的特性，正向特性曲线如图1-8（u>0的部分）所示。当二极管两端的正向电压小于某一数值时，流过二极的正向电流几乎为零，二极管不导通，这一段称为死区。只有当正向电压达到某一值时，二极管才开始有明显的正向电流产生。使二极管刚刚产生正向电流时所对应的正向电压称为死区电压或开启电压，用UTH表示，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。

当正向电压超过UTH以后，电流与外加的电压呈指数关系，随着电压的升高，正向电流迅速增大。二极管正向导通后，呈现很小的电阻，正向电流的大小主要由外电路决定，二极管两端的正向压降基本上是一个常数，硅管的正向压降一般为0.6～0.7V，锗管的正向压降一般为0.2～0.3V，工程上一般取硅管为0.7V，锗管为0.3V。

（2）反向特性。反向特性是指二极管外加反向电压时的特性，即二极管阳极接电源负极，阴极接电源正极时的特性，反向特性曲线如图1-8（u<0的部分）所示。当二极管两端的反向电压小于一定数值时，产生的反向电流极小，二极管呈现很大的电阻，近似处于截止状态。此时的反向电流有两个特点：其一，在温度一定时反向电流基本不变，即它的大小基本不随反向电压的变化而变化，呈饱和性，故称为反向饱和电流，用IS表示，小功率硅管的IS一般小于0.1μA，锗管达几十微安，这也是硅管应用比较多的原因之一；其二，反向电流受温度的影响很大，温度每升高10℃，IS增大一倍，会影响二极管的单向导电性。

（3）反向击穿特性。当二极管两端的反向电压增加到某一数值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为反向击穿，二极管处于反向击穿状态。使二极管反向击穿时所对应的反向电压称为反向击穿电压，用UBR表示。反向击穿时二极管将失去单向导电性，击穿电流过大，甚至会烧毁二极管，所以，一般二极管不允许工作在反向击穿状态。

2.二极管的伏安特性方程

不同类型二极管的正、反向伏安特性曲线的形状及变化趋势很相近，理论分析和实验均证明，流过二极管的电流i与其两端所加的电压u之间的关系可用式（1-1）表示，即

式中，IS为反向饱和电流；UT为温度电压当量。

UT与温度有关，常温下UT≈26mV。当u=0时，i=0；当u大于UT几倍时，；当u<0，且|u|大于UT几倍时，i≈-IS。

式（1-1）称为二极管的伏安特性方程。

综上所述，二极管的基本特性为单向导电性，无论是特性曲线还是特性方程，所反映的电流与电压之间的关系都不是线性的，其内阻不是常数，二极管是一种非线性半导体器件。

三、二极管的主要参数

器件的参数是对器件性能的定量描述，是实际工作中正确地选择和合理地使用器件的依据。二极管的主要参数有：

（1）最大整流电流IFM：IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值，其值与PN结面积和外部散热条件有关。使用时必须在一定的散热条件下，使流过二极管的正向平均电流不能超过此值，否则二极管会过热而损坏。

（2）最高反向工作电压URM：URM是指二极管工作时允许加的最大反向电压。若反向电压过大，反向电流会急剧增加，二极管会被反向击穿。反向电流剧增时所对应的电压称为反向击穿电压UBR，一般手册上给出的URM约为UBR的一半，以确保二极管安全工作。

（3）反向电流IR：IR是二极管未击穿时的反向工作电流。对二极管来说，IR越小越好。IR越小，二极管的单向导电性越好。实际使用时还应注意温度对IR的影响。

（4）极间电容Cj：Cj就是PN结的结电容。Cj由PN结的势垒电容CB和扩散电容CD两部分组成。

PN结由于空间电荷区的存在产生了电容效应，当外加电压变化时，空间电荷区的电荷量会随之变化，从而显示出PN结的电容效应。由于这个等效电容是势垒区宽度随外加电压变化而引起的，所以称为势垒电容。外加电压频率越高，电容作用越显著。

当PN结正偏时，由于多数载流子的扩散会形成电荷堆积，从而产生电容效应。这个等效电容称为扩散电容。这样二极管的极间电容为Cj=CB+CD，由于极间电容较小，在低频时可忽略，在高频时必须考虑其影响。

（5）最高工作频率fM：fM是指在二极管工作的最高频率值。fM主要由结电容的大小来决定。若工作频率超过fM，则二极管的单向导电性会变差甚至失去单向导电性。

需要注意的是，由于器件的分散性很大，手册上所给的参数也是在一定条件下测得的。如果使用条件发生变化，相应的参数也会发生变化，因此，选择二极管时要注意留有余量。

四、二极管的电路模型

由二极管的伏安特性可知，二极管是一种非线性半导体器件，这给二极管应用电路的分析带来一定的困难。为了便于分析，常在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管的特性，并以之取代电路中的二极管。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，又称二极管的等效模型。在工程分析中，力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。

1.二极管大信号时的电路模型

在大信号工作时，二极管相当于一个开关，所以在分析二极管电路时，必须首先判断二极管是导通还是截止，然后再根据二极管在实际工作中的不同要求确定二极管相应的等效电路，从而把二极管电路变为特定条件下的线性电路。

（1）理想二极管模型。理想二极管模型是一种最简单而又最常用的模型，它将二极管的单向导电性做了理想化处理。所谓理想二极管是假设二极管在导通时的正向压降uD=0，截止时的反向饱和电流iD=0，理想二极管的伏安特性如图1-9（a）所示。在正向偏置时，其管压降为0V，相当于开关闭合，二极管呈短路特性，其等效电路如图1-9（b）所示；在反向偏置时，二极管截止，反向电流为零，相当于开关断开，二极管呈开路特性，其等效电路如图1-9（c）所示。通常把这种特性称为二极管的开关特性。

理想二极管模型与实际的二极管特性虽然有一定的差别，但由于其简单实用，从而得到了广泛的应用。当电源电压远比二极管的管压降大时，常用此法来近似分析。

（2）二极管恒压降模型。在大多数情况下，二极管本身的导通压降不能忽略。二极管的伏安特性表明二极管导通时的正向压降是恒定的（硅管为0.7V，锗管为0.3V），且不随电流而变化，考虑正向压降时的伏安特性如图1-10（a）所示。当外加的工作电压大于导通压降时，二极管导通，此时可等效为一个闭合的开关和一个电压源Uon的串联，等效电路如图1-10（b）所示；当外加的工作电压小于导通压降时，二极管截止，此时相当于开关断开，等效电路如图1-10（c）所示。

采用这种等效方法时，应使流过二极管的正向电流近似等于或大于1mA，这样才更接近实际的二极管特性。

在分析计算二极管电路时，应首先判断二极管是处于导通状态还是截止状态，然后再计算。方法是：先将该二极管假设移开，求出该二极管两端所加的正向的电位差。若电位差大于或等于二极管的正向导通电压（硅管Uon=0.7V，锗管Uon=0.3V）时，二极管肯定能导通；否则就不导通。

【例1-1】　判断图1-11所示电路中硅二极管的工作状态并计算UAB的值。

解：在图1-11（a）中，先假定VD断开，则VD上端A点电位和下端B点电位分别为6V和0V。当接上VD时，可见VD能正偏导通，可得图1-11（b）所示的等效电路。因为，硅二极管的正向导通压降为0.7V，VD导通后，使UAB=0.7V。

【例1-2】　由硅二极管VD1、VD2和VD3组成的电路如图1-12所示，试求电压UAB和电流I。

解：（1）首先判断VD2和VD3是否导通。先将VD2，VD3断开，求A、B端的电位差UAB。设VD1导通时，有UAB=Uon+E2=（0.7+3）V=3.7V，现将VD2和VD3接入，则VD2和VD3能导通。再设VD1截止时，UAB=E1=5V，若接入VD2和VD3，也一定能导通。于是，可得出结论：不论VD1是导通还是截止，VD2和VD3肯定是导通的。

（2）在VD2和VD3导通的前提下，再来判断VD1究竟是导通还是截止。将VD1断开，求A和C两点的电位差UAC。UAC=UAB+UBC=Uon+Uon+（-E2）=（0.7+0.7-3）V=-1.6V。因此，接入VD1也不会导通。得出的又一个结论是VD1截止。

（3）三个二极管的工作状态均确定之后，可得相应的等效电路如图1-12（b）所示。计算可得UAB=Uon+Uon=（0.7+0.7）V=1.4V，I=（E1-UAB）/R=[（5-1.4）/2]mA=1.8mA。

2.二极管低频小信号时的电路模型

当二极管外加直流正向偏置电压时，将有一个对应的直流电流，在二极管伏安特性曲线上可以找到反映该电压和电流的点，这个点称为静态工作点，简称Q点。若以Q点为中心，外加一个微小的交流电压，则可以用Q点为切点的直线来近似微小变化时曲线，如图1-13（a）所示。即在Q点附近的小信号范围内，将二极管等效为一个交流电阻rd。rd定义为工作点Q附近电压与电流的变化量之比，即rd=ΔuD/ΔiD。在这里将二极管这个非线性器件用一个交流电阻来等效，称为线性化处理，得到二极管的微变等效电路如图1-13（b）所示，即为二极管的低频小信号模型。

rd的大小与工作点位置有关，Q点越高，切线的斜率越大，rd值越小。由二极管的伏安特性方程，即式（1-1），经过数学推导可以求得rd的计算式为

式中，ID是Q点的电流值。

值得注意的是小信号模型只适用于二极管处于正向导通且信号幅度较小的情况。这个交流电阻rd的大小尽管与Q点的电流ID有关，但只能用来分析交流，不能用于直流分析。

五、二极管的基本应用

二极管是电子电路中最常用的半导体器件，利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可用来完成整流、检波、钳位、限幅、开关以及续流保护等任务。

1.整流

所谓整流，就是利用二极管的单向导电性将交流电压变换成单向脉动的直流电压。二极管半波整流电路如图1-14所示。为简化分析，将二极管视为理想二极管，即二极管正向导通时，做短路处理；反向截止时，做开路处理。假设输入电压ui为一正弦波，在ui的正半周（即ui>0）时，二极管因正向偏置而导通；在ui的负半周（即ui<0）时，二极管因反向偏置而截止，即将交流电压整流成为单向脉动的直流电压。这些内容将在第七章中详细介绍。

2.检波

在收音机中，从高频调制信号中检出音频信号称为检波。利用二极管的单向导电性，将调制信号的负半波削去，再经电容使高频信号旁路，负载上得到的就是音频信号。二极管检波电路及输入/输出波形如图1-15所示。

3.钳位

利用二极管正向导通时压降很小的特性，将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负载影响的电路称为钳位电路。如图1-16所示，只要二极管VD处于导通状态，不论负载RL如何变化，电路的输出电压uo始终等于UG+Uon，其中，Uon为二极管的正向导通电压。

4.限幅

限幅作用是将输出电压的幅度限制在一定的范围内。当输入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。通常将输出电压受到限制的电压称为限幅电平。根据限幅的作用分为上限幅、下限幅和双向限幅。

上限幅电路如图1-17（a）所示。设二极管VD为理想二极管，如果0<E<UM，则限幅电平为+E。当输入电压ui<E时，二极管VD截止，则输出电压uo=ui；当输入电压ui>E时，二极管VD导通，输出电压uo=E，使输出电压的正向幅值限制在E的数值上。输入/输出电压波形如图1-17（b）所示。

如将上限幅电路中的VD和E反接，就构成了下限幅电路，如图1-18所示。如果0<E<UM，设在交流电的正半周，由于ui和E是顺极性串联，二极管处于截止状态，uo=ui；在负半周，由于ui和E是逆极性连接，当ui<E时，二极管仍截止，uo=ui；当ui>E时，二极管导通，uo=E，输出电压被限定在E值上。将上限幅电路与下限幅电路并联在一起就可构成了双向限幅电路，如图1-19所示，限幅原理可仿照上述进行分析。

5.开关

二极管在数字电路中应用时，常将其理想化为一个无触点开关器件。二极管正向导通时，正向压降为0V，相当于开关闭合；二极管反向截止时，视其反向电流为0，相当于开关断开。

【例1-3】　二极管开关电路如图1-20所示，设二极管为理想二极管。当uA、uB为0V和5V时，根据uA、uB取值的不同组合，判定二极管的工作状态，并计算uo。

解：设理想二极管的正向导通压降为0V，反向截止时的电阻为无穷大。根据uA、uB取值的不同组合，二极管的工作状态和输出电压uo如表1-1所示。由表可见，输入电压中有一个为5V，则输出电压为5V，只有输入电压全为0V时，输出电压才为0V，这种关系在数字电路中称为或逻辑关系。

6.续流保护

在电子电路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，二极管续流保护电路如图1-21所示，L和R是线圈的电感和电阻。

在开关S接通时，电源E给线圈供电，L中有电流流过，并储存了磁场能量。在开关S由接通到断开的瞬间，电流突然中断，L中将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势eL，eL与E叠加作用在开关S的端子上，会产生电火花放电，这将影响设备的正常工作，缩短开关S的使用寿命。接入二极管VD后，eL通过二极管VD产生放电电流i，使eL不会加在开关上，从而保护了开关。