半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用詳解

電子電路區(qū)別于以前所學(xué)電路的主要特點(diǎn)是電路中引入各種電子器件。電子器件的類型很多，目前使用得最廣泛的是半導(dǎo)體器件——二極管、穩(wěn)壓管、晶體管、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管等。由于本課程的任務(wù)不是研究這些器件內(nèi)部的物理過程，而是討論它們的應(yīng)用，因此，在簡(jiǎn)單介紹這些器件的外部特性的基礎(chǔ)上，討論它們的應(yīng)用電路。

　　4.1 PN結(jié)和半導(dǎo)體二極管

　　4.1.1 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/span>

　　我們?cè)谖锢碚n中已經(jīng)知道，在純凈的四價(jià)半導(dǎo)體晶體材料(主要是硅和鍺)中摻入微量三價(jià)(例如硼)或五價(jià)(例如磷)元素，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會(huì)大大增強(qiáng)。這是由于形成了有傳導(dǎo)電流能力的載流子。摻入五價(jià)元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是自由電子，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。而摻入三價(jià)元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是空穴，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。在摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子(稱多子)數(shù)目由摻雜濃度確定，而少數(shù)載流子(稱少子)數(shù)目與溫度有關(guān)，并且溫度升高時(shí)，少數(shù)載流子數(shù)目會(huì)增加。

　　在一塊半導(dǎo)體基片上通過適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體工藝技術(shù)可以形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交接面，稱為PN結(jié)。 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕寒?dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，P端電位高于N端，PN結(jié)變窄,由多子形成的電流可以由P區(qū)向N區(qū)流通，見圖4-1 (a),而當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，N端電位高于P端，PN結(jié)變寬,由少子形成的電流極小，視為截止(不導(dǎo)通)，見圖4-1 (b)。

　　4.1.2 半導(dǎo)體二極管

　　半導(dǎo)體二極管就是由一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成的。由P區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因?yàn)镻N結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管導(dǎo)通時(shí)電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。二極管的種類很多，按材料來分，最常用的有硅管和鍺管兩種;按結(jié)構(gòu)來分，有點(diǎn)接觸型，面接觸型和硅平面型幾種;按用途來分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種。

　　圖4-2是常用二極管的符號(hào)、結(jié)構(gòu)及外形的示意圖。二極管的符號(hào)如圖4-2(a)所示。箭頭表示正向電流的方向。一般在二極管的管殼表面標(biāo)有這個(gè)符號(hào)或色點(diǎn)、色圈來表示二極管的極性，左邊實(shí)心箭頭的符號(hào)是工程上常用的符號(hào)，右邊的符號(hào)為新規(guī)定的符號(hào)。從工藝結(jié)構(gòu)來看，點(diǎn)接觸型二極管(一般為鍺管)如圖4-2(b)其特點(diǎn)是結(jié)面積小，因此結(jié)電容小，允許通過的電流也小，適用高頻電路的檢波或小電流的整流，也可用作數(shù)字電路里的開關(guān)元件;面接觸型二極管(一般為硅管)如圖4-2(c)其特點(diǎn)是結(jié)面積大，結(jié)電容大，允許通過的電流較大，適用于低頻整流;硅平面型二極管如圖4-2(d)，結(jié)面積大的可用于大功率整流，結(jié)面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路作開關(guān)管。

　　4.1.3 二極管的伏安特性

　　二極管的電流與電壓的關(guān)系曲線I = f(V)，稱為二極管的伏安特性。其伏安特性曲線如圖4-3所示。二極管的核心是一個(gè)PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，其?shí)際伏安特性與理論伏安特性略有區(qū)別。由圖4-3可見二極管的伏安特性曲線是非線性的，可分為三部分：正向特性、反向特性和反向擊穿特性

　　1. 正向特性

　　當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，管子內(nèi)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)沒形成，故正向電流幾乎為零。當(dāng)正向電壓超過一定數(shù)值時(shí)，才有明顯的正向電流，這個(gè)電壓值稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V，當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流迅速增長(zhǎng)，曲線接近上升直線，在伏安特性的這一部分，當(dāng)電流迅速增加時(shí)，二極管的正向壓降變化很小，硅管正向壓降約為0.6～0.7V　，鍺管的正向壓降約為0.2～0.3V。二極管的伏安特性對(duì)溫度很敏感，溫度升高時(shí)，正向特性曲線向左移，如圖4-3所示，這說明，對(duì)應(yīng)同樣大小的正向電流，正向壓降隨溫升而減小。研究表明，溫度每升高10C　，正向壓降減小 2mV。

　　2. 反向特性

　　二極管加上反向電壓時(shí)，形成很小的反向電流，且在一定溫度下它的數(shù)量基本維持不變，因此，當(dāng)反向電壓在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓大小無關(guān)，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達(dá)幾十μA，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1μA以下，當(dāng)溫度升高時(shí)，少數(shù)載流子數(shù)目增加，使反向電流增大，特性曲線下移，研究表明，溫度每升高100C　，反向電流近似增大一倍。

　　3.　反向擊穿特性

　　當(dāng)二極管的外加反向電壓大于一定數(shù)值(反向擊穿電壓)時(shí)，反向電流突然急劇增加稱為二極管反向擊穿。反向擊穿電壓一般在幾十伏以上

　　4.1.4　二極管的主要參數(shù)

　　二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，參數(shù)同樣能反映出二極管的電性能,器件的參數(shù)是正確選擇和使用器件的依據(jù)。各種器件的參數(shù)由廠家產(chǎn)品手冊(cè)給出，由于制造工藝方面的原因，既使同一型號(hào)的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此手冊(cè)常給出某個(gè)參數(shù)的范圍，半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)有以下幾個(gè)

　　1.最大整流電流IDM

　　IDM指的是二極管長(zhǎng)期工作時(shí)，允許通過的最大的正向平均電流。在使用時(shí)，若電流超過這個(gè)數(shù)值，將使PN結(jié)過熱而把管子燒壞

　　2.反向工作峰值電壓VRM

　　VRM是指管子不被擊穿所允許的最大反向電壓。一般這個(gè)參數(shù)是二極管反向擊穿電壓的一半，若反向電壓超過這個(gè)數(shù)值，管子將會(huì)有擊穿的危險(xiǎn)。

　　3.反向峰值電流IRM

　　IRM是指二極管加反向電壓VRM時(shí)的反向電流值，IRM越小二極管的單向?qū)щ娦杂?。IRM受溫度影響很大，使用時(shí)要加以注意。硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。

　　4.最高工作頻率ƒM

　　二極管在外加高頻交流電壓時(shí)，由于PN結(jié)的電容效應(yīng)，單向?qū)щ娮饔猛嘶?fnof;M指的是二極管單向?qū)щ娮饔瞄_始明顯退化的交流信號(hào)的頻率。