1.1 半导体与二极管

1.1.1 半导体

自然界中的物质按其导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体。导体如金、银、铜、铝等，因其内部存在大量的自由电子而有很强的导电能力；而绝缘体如云母、塑料、橡胶等，因其内部的自由电子很少而导电能力极差；半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等，目前大多数半导体器件所用的主要材料就是硅和锗。

半导体之所以得到广泛应用是因为其具有如下特性：

（1）掺杂特性

在纯净的半导体（通常称为本征半导体）中掺入极其微量的杂质元素，则它的导电能力将大大增强。通过对半导体进行特殊工艺的掺杂可以制造出晶体二极管、晶体三极管、场效应管和集成电路等半导体器件。

杂质半导体，在硅、锗等半导体中，掺入微量的某种特定的杂质元素后所得的半导体称为杂质半导体，其类型有N型半导体和P型半导体。

① N型半导体，又称为电子型半导体。它是在本征半导体中掺入微量五价元素而制成的，它的多数载流子（载荷电量的粒子）是电子，少数载流子是空穴（半导体中一种带正电荷的载流子）。

② P型半导体，又称为空穴型半导体。它是在本征半导体中掺入微量三价元素而制成的，它的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

半导体的导电特性，电子和空穴同时参与导电，是半导体导电的重要特征。

PN结，如果将P型半导体与N型半导体通过特殊工艺结合起来，那么在P型半导体和N型半导体的交界面处就会形成PN结，PN结是构成各种半导体器件的基础。

PN结的单向导电性，PN结具有单向导电性，即在PN结上加正向电压时（即P区电位比N区高，如图1.1（a）所示），PN结变窄，结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态；给PN结加反向电压时（即P区电位比N区低，如图1.1（b）所示），PN结变宽，结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态。

（2）热敏特性

温度升高，将使半导体的导电能力大大增强。例如，温度每升高10℃，半导体的导电能力增加一倍。利用半导体对温度十分敏感的特性，可以制造自动控制中常用的热敏电阻及其他热敏元件。

（3）光敏特性

对半导体施加光线照射，光照越强，导电能力越强。利用半导体的光敏特性，可以制成光敏元件，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管等，从而实现路灯、航标灯的自动控制，以及制成火灾报警装置，也可以进行产品自动计数。

1.1.2 二极管的结构和符号

半导体二极管用一个PN结做成管芯，在P区和N区两侧各接上电极引线，并将其封装在一个密封的壳体中，如图1.2（a）所示。二极管的符号如图1.2（b）所示，图中三角箭头表示二极管正向导电时正向电流的方向。常见的二极管的外形如图1.2（c）所示。

二极管按所用的半导体材料的不同可分为锗管和硅管；按其内部结构的不同可分为点接触型和面接触型。点接触型二极管 PN 结的面积小，适用于高频小电流场合，主要用于小电流整流和高频检波、混频等，如2AP、2AK型二极管。面接触型二极管PN结的面积大，适用于低频大电流场合，主要用在大电流整流电路中，如2CP、2CZ型二极管。

1.1.3 二极管的伏安特性

加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系被称为二极管的伏安特性，可用如图1.3所示电路测试。

根据测出的二极管两端电压值及与之对应的流过二极管的电流值描绘出的电流随电压变化的曲线，称为二极管的伏安特性曲线，如图1.4所示。

下面对二极管伏安特性曲线加以说明。

1.正向特性

当二极管加正向电压时，伏安特性曲线分为正向死区和正向导通区：

（1）正向死区

图1.4所示OA、OA′称为正向死区。当二极管正向电压较小时，正向电流极小（几乎没有），二极管呈现很大的电阻而处于截止状态，这一部分称为正向特性的死区，好像一个门坎。当二极管两端电压不断增大，超过这道门坎时，电流随电压的增大而快速增大，故这个电压称为门坎电压，有时也称死区电压或阈值电压，用Uth表示。在常温下，硅管的Uth为0.5V，锗管为0.1V。

（2）正向导通区

图1.4所示AB、A′B′段为正向导通区。当二极管正向电压大于门坎电压Uth时，电流随电压增加而增加，二极管处于导通状态。当正向电流较大时，二极管两端正向压降基本保持不变，常温下硅二极管的正向压降约为0.7V，锗二极管的正向压降约为0.3V。正向导通时二极管呈低阻。

2.反向特性

当二极管两端加反向电压时，伏安特性曲线分为反向截止区和反向击穿区两部分。

（1）反向截止区

图1.4中OC、OC′段为反向截止区。在反向截止区，二极管加反向电压时，反向电流很小，呈现的电阻很大，二极管处于反向截止状态。这时流过二极管的反向电流几乎不随反向电压的变化而变化，该电流叫做反向饱和电流，用Is表示。硅管的Is比锗管的Is小得多。温度升高时，反向饱和电流Is随之急剧增加。

（2）反向击穿区

当反向电压增加到一定大小时，反向电流急剧增加，这种现象称为二极管的反向击穿，如图1.4中的CD、C′D′段所示。这时的反向电压称为二极管的反向击穿电压，用UBR表示。实践证明，普通二极管反向击穿后，很大的反向击穿电流会使PN结温度迅速升高而烧坏PN结，这就从电击穿转化为热击穿，所以应当采取措施防止二极管发生热击穿。

1.1.4 二极管的主要参数

1.最大整流电流IF

最大整流电流是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，如果实际工作时的正向平均电流超过此值，二极管内的PN结可能会过分发热而损坏。

2.最高反向工作电压URM

最高反向工作电压是指二极管在使用时所允许加的最大反向电压。为了确保二极管安全工作，通常取二极管反向击穿电压UBR的一半作为URM。

3.反向电流IRM

反向电流是指二极管未击穿时的反向电流，其值愈小，则二极管的单向导电性愈好，硅管的 IRM比锗管 IRM的小得多。由于温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。

二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体手册中都给出了各种型号管子的参数。在使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易损坏。

思考题

1.1.1什么是半导体？什么是本征半导体？在半导体中存在哪两种载流子？

1.1.2什么是P型半导体？什么是N型半导体？它们具有什么特点？什么是PN结？它具有什么特性？

1.1.3 二极管的伏安特性曲线上有一个死区电压，那么什么是死区电压？硅管和锗管的死区电压的典型值约为多少？

1.1.4 为什么说在使用二极管时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压？最高反向工作电压与反向击穿电压之间有什么关系？

1.1.5 把一个1.5V的干电池直接接到（正向接法）二极管两端，会不会发生问题？

1.1.6 比较硅、锗两种二极管的性能。在工程上，为什么硅管应用得较普遍？