二极管原理

二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管;它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。

1.结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。

(1) 点接触型二极管--PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。

(2) 面接触型二极管--PN结面积大，用于工频大电流整流电路。

(3) 平面型二极管-往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

2. 伏安特性及主要参数

(1)伏安特性曲线

P半导体二极管的伏安特性曲线如图4-10所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。

图4-.10 二极管的伏安特性曲线

●　正向特性

当U>0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当0

当U>Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。

硅二极管的死区电压Uth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Uth=0.1 V左右。

● 反向特性

当U<0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：

当UBR

(2)主要参数

① 最大整流电流ID:二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。

② 反向工作峰值电压URWN：保证二极管不被反向击穿而规定的电压。在实际工作时，定为反向击穿电压的一半。

③ 反向峰值电流IRM：是二极管加上反向工作峰值时的反向饱和电流。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级;锗二极管在微安(mA)级。

4.3.1 半导体二极管的结构类型

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图01.11(a)、(b)、(c)所示。

(1) 点接触型二极管&mdash;—PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。

(2) 面接触型二极管——PN结面积大，用于工频大电流整流电路。

(3) 平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

图01.11 二极管的结构示意图

4.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线

半导体二极管的伏安特性曲线如图01.12所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示

式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温(相当T=300 K)，则有VT=26 mV。

图01.12 二极管的伏安特性曲线

(1) 正向特性

当V>0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当0

当V>Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。

硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，

锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。

(2) 反向特性

当V<0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：

当VBR

当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。

在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小;锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7 V时，主要是雪崩击穿;若VBR≤4 V则主要是齐纳击穿，当在4 V～7 V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。

1.3.3 半导体二极管的参数

半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：

(1) 最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。

(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM——二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。

(3) 反向电流IR——在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级;锗二极管在微安(uA)级。

(4) 正向压降VF——在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8 V;锗二极管约0.2～0.3 V。

(5)动态电阻rd——反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即

rd =△VF /△IF

1.3.4 半导体二极管的温度特性

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍;锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(Vd)大约减小2 mV，即具有负的温度系数。这些可以从图01.13所示二极管的伏安特性曲线上看出。

图01.13 温度对二极管伏安特性曲线的影响

4.3.5 半导体二极管的型号

国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：

4.3.6 稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图01.14所示。

(a) 符号 (b) 伏安特性 (c) 应用电路

图01.14 稳压二极管的伏安特性

从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。

(1) 稳定电压VZ ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

(2)动态电阻rZ——其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 RZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

rz =△VZ /△IZ

(3)最大耗散功率 PZM ——稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时，PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。

(4)最大稳定工作电流IZMAX 和最小稳定工作电流IZMIN ——稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZ

(5)稳定电压温度系数 —&mdash;温度的变化将使VZ改变，在稳压管中，当丨VZ丨 >7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。

当丨VZ丨<4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。

当4 V<丨VZ丨 <7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。

电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管;其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。