1.2 半导体元件

1.2.1 二极管

1.二极管的结构、符号和分类

半导体二极管的种类很多，按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按结构不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管的结构如图1.20（a）所示，它是由一根细金属丝（如金镓合金）和一块半导体（如N型锗）的表面接触，然后通过很大的瞬时正向电流，使金属触丝与半导体在接触点处熔接在一起，根据杂质补偿原理，便形成了PN结。在PN结两端引出电极，并加管壳密封，便成为二极管。其特点是结面积小，极间电容也很小，故不能承受较高的反向电压和较大的电流，适用于高频小功率场合。如2AP10是点接触型锗二极管，常用于高频检波。

面接触型（或面结型）二极管的PN结是用合金法（或扩散法）制成的。其结构如图1.20（b）所示，这类二极管的结面积大，极间电容也大，允许通过的正向电流大，适用于低频大功率场合。如2CP10是面结型硅二极管，常用于整流。

二极管的电路符号如图1.20（c）所示，箭头表示二极管正向电流方向。

2.二极管的伏安特性

流过二级管的电流I与其端电压U的关系称为二极管的伏安特性曲线。测量伏安特性曲线的实验电路如图1.21所示。

各种不同型号二极管的伏安特性曲线大体相同。图1.22所示的是面接触型硅二极管（2CP10）的伏安特性曲线，图1.23所示的是点接触型锗二极管（2AP10）的伏安特性曲线。下面对二极管的特性加以说明。

由以上两图可知：特性曲线通过坐标原点，这表明U=0时，PN结处于动态平衡状态，I=0；当二极管两端加正向电压时，出现正向电流。但是，当U较小时，由于外加正向电压还不足以克服内建电场对载流子扩散运动所造成的阻力，二极管呈现较大的电阻，因此，这时的正向电流仍然很小。只有当正向电压超过一定的数值后，正向电流才开始明显上升，且随电压的增加而迅速增大，这个电压值称为二极管的导通电压。硅管的导通电压约为0.6～0.8V，锗管的导通电压约为0.2～0.3V。

当二极管两端加反向电压时，少数载流子通过PN结形成反向电流。由于少数载流子数量有限，因此，在反向电压不超过某一范围时，反向电流基本恒定，通常称之为反向饱和电流。反向饱和电流值越小越好，一般硅二极管的反向饱和电流在几十微安以下，锗二极管则达几百微安，大功率二极管会稍大些。当反向电压增大到一定值时，PN结将发生反向击穿。

3.二极管的主要参数

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。半导体二极管的主要参数有以下几种。

（1）最大整流电流IDM

IDM指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。IDM的数值由PN结的面积和散热条件决定，使用时二极管的平均电流不得超过此值，否则二极管会因过热而损坏。

（2）最高反向工作电压URM

工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能会被击穿。为确保二极管正常工作，通常最高反向工作电压为反向击穿电压的一半。

（3）最大反向电流IRM

IRM指最高反向工作电压下流过二极管的反向电流。通常希望IRM值越小越好，因为反向电流越小，说明二极管的单向导电性越好。由于IRM由少数载流子形成，因此IRM受温度的影响很大。

（4）最高工作频率fM

该值主要取决于PN结结电容（二极管的电容效应）的大小。结电容的存在限制了二极管的工作频率，结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。

4.二极管的类型和命名

二极管根据其外形、结构、材料、功率和用途可分成不同类型，不同类型的二极管都按国家标准来命名，它由四部分组成，其命名方法如表1.8所示。

5.特殊二极管

（1）稳压二极管

对于整流二极管来说，击穿就意味着二极管损坏而失去单向导电性。但是利用击穿时通过二极管的电流在很大范围内变化，而二极管两端的电压却几乎不变的特性，可以实现“稳压”的性能。稳压二极管就是通过对半导体内进行特殊的工艺处理制成的，它具有很陡峭的反向特性曲线。稳压管的反向击穿是可逆的，即当切断外加电压后，PN结仍能恢复原状。

稳压二极管符号及其伏安特性曲线如图1.24所示。稳压二极管工作在反向击穿区，由图可见，特性曲线越陡，稳压性能越好。值得注意的是，稳压管的电流方向和普通二极管相反，因此正常工作时，稳压管阴极接高电位，阳极接低电位。稳压管的等效电路可以看成是一个串并联电路，VDz为稳压二极管，它决定稳压管的电流方向；rz表示稳压管等效动态电阻，Uz为稳压值；并联二极管VD1表示稳压管正向导通时和普通二极管一样。

（2）发光二极管

发光二极管是一种能将电能转换成光能的半导体器件，有时简写为LED（Light-Emitting-Diode）。它是由磷砷化镓、镓铝砷或磷化镓等化合物材料制成的。其内部结构是一个PN结，具有单向导电性。当外加正向电压时，P区的空穴扩散到N区，与N区的电子复合，N区的电子扩散到P区，与P区的空穴复合。电子和空穴复合时会释放出能量，产生光子，因此二极管会发出一定颜色的光，颜色由材料的成分和杂质的种类决定。发光二极管常用来制作音响设备的电平（音量、电源电压、调谐指示）显示、仪表的数码显示以及大屏幕屏显器件。

发光二极管种类很多，一些典型产品的外形及符号如图1.25所示。它的工作电流一般为几毫安至十几毫安，其正向导通电压较高，约为1～2V。为了防止正向电流过大而损坏发光二极管，使用时应串联限流电阻R。

（3）光电（敏）二极管

光电（敏）二极管是一种能将光能转换成电能的半导体器件。在PN结受到光线照射时，可以激发产生电子-空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。当外加反向电压时，少数载流子增多，少数载流子漂移电流显著增大。所以，当外界光发生强弱变化时，二极管的反向电流大小也随之变化，利用这种原理工作的二极管，称为光敏二极管或光电二极管。其符号和伏安特性曲线如图1.26所示，曲线中E表示照度，lx（勒克斯）为照度单位。从曲线可知，照度E增加时，反向饱和电流增大。