(04730)半导体器件之晶体二极管

半导体的基本知识

一般情况下，人们将自然界的物质按其导电性能的强弱分为绝缘体、导体和半导体。没有导电能力的物质称为绝缘体，如橡胶、干燥的木材、陶瓷等；具有较强导电能力的物质称为导体，如铜、铝、银等；半导体的导电能力介于绝缘体和导体之间，由于绝大多数半导体的原子排列呈晶体结构，所以由半导体构成的管件也称晶体管，目前制造半导体器件最常用的半导体材料为硅(Si)和锗（Ge)。

半导体的特性

常温状态下半导体材料由于内部结构的特殊性，其性能类似于绝缘体，几乎不表现传导电流的能力，但在温度上升或有光照的情况下，其导电能力大大加强，如果改变其内部所含微量杂质的浓度，也可改变半导体的导电能力，人们正是利用半导体材料的这些特性，采用各种不同的工艺手段，生产各种性能和用途不同的半导体器件。

(1)半导体的热敏特性

当温度上升时，半导体的导电能力增强，呈现的电阻率明显下降，具有负温度系数的特性，热敏元件就是该性能的具体应用。

(2)半导体的光敏特性

光照强度的不同，也可明显地改变半导体材料的导电性能，利用这一特性，可用于制作光敏元件，作为自动检测线路的部件。

(3)掺杂特性

在纯净的半导体中掺人微量的其他元素，可显著改变半导体材料的导电能力。

本征半导体

常用的半导体材料硅和锗的原子最外层有四个电子，提纯后的半导体材料具有晶体结构，它们的原子按一定规律整齐排列，最外层原子轨道的四个电子为相邻原子所共有，形成共价键结构，这四个电子称为价电子，如图2.1.1所示。常温情况下，它们的原子呈中性，不表现传导电流的性能。

纯净的半导体称为本征半导体，具有的共价键结构使本征半导体处于相对稳定的状态，但在温度升高

或光照激励的情况下，共价键中的价电子获得能量，很容易脱离其束缚能力，成为带负电的自由电子，并

在共价键中留下一个带正电的空位置，称为空穴。由此可见，通常情况下，在本征半导体中，自由电子和

空穴总是成对出现，就整体而言，对外不显电性，自由电子和空穴又称为载流子。

杂质半导体

本征半导体只是作为一种半导体材料，其实用价值并不大，但人为地在本征半导体中掺入适当的某种其他元素改变其内部载流子的浓度，就可形成所谓的杂质半导体。

(1)P型半导体

在本征半导体中适当地掺人一些三价元素如硼（B)后，由于硼元素最外层只有三个价电子，它与最外层有四个价电子的硅或锗原子形成共价键结构后，自然形成一个空穴，这样就会使空穴数量增多（空穴成为多数载流子），自由电子数相对较少（自由电子成为少数载流子)，形成P型半导体，其导电能力主要靠空穴，又称为空穴型半导体。

(2)N型半导体

在本征半导体中适当地掺入一些五价元素如磷(P)后，由于磷元素最外层有五个价电子，它与最外层有四个价电子的硅或锗原子形成共价键结构后，就多出一个价电子，这个价电子不受共价键约束，很容易成为自由电子而导电，这样就会使自由电子数量增多（自由电子成为多数载流子)，空穴量相对较少（空穴成为少数载流子），形成N型半导体，其导电能力主要靠自由电子，又称为电子型半导体。

综上所述，杂质半导体中，在外加电场的作用下，空穴和自由电子共同参与导电，自由电子的定向移动形成电子电流，价电子替补空穴的运动形成空穴电流，载流子数量的变化会引起杂质半导体导电能力的变化，这也是半导体材料与导体材料导电能力本质的区别。同时温度的变化也将影响半导体材料的导电性能。

PN结及其特性

(1)PN结的形成

在一块本征半导体的晶体切片的两侧分别参人不同的杂质，形成P型半导体和N型半导体两个区域，由于两个区域交界面附近将会存在电子和空穴的浓度差，就会产生扩散运动，此时N区的自由电子会越过交界面向P区扩散，填补P区的空穴，使N区失掉自由电子产生正离子，而P区得到自由电子产生负离子，如图2.1.2（a)所示。随着载流子运动的进行，在P区和N区的交界面两侧分别留下不能移动的正负离子，呈现出一个空间电荷区，这个空间电荷区就称为PN结，并形成一个内电场，其方向从N区指向P区，内电场的出现，会进一步阻止多数载流子的扩散运动，当然也会有利于少数载流子的漂移运动，当扩散和漂移两种运动达到动态平衡时，PN结的宽度就稳定下来，如图2.1.2(b)所示。

(2)PN结的特性

①PN结的正向导通性能

PN结两端加上正向偏置电压，简称PN结正偏，即P区接电源的正极，N区接电源的负极，如图2.1.3所示，图中R为限流电阻。

由于外加电源在PN结形成的外电场与PN结内电场方向相反，削弱了内电场的作用，破坏了原来载流子的动态平衡，使多数载流子的扩散运动加强，相当于PN结变窄，PN结呈现低阻状态，形成较大的正向电流，称为PN结的正向导通性能。

②PN结的反向截止状态

PN结两端加上反向偏置电压，简称为PN结反偏，即N区接电源的正极，P区接电源的负极，如图2.1.4所示。

由于外加电源在PN结形成的外电场与PN结内电场方向相同，加强了内电场的作用，也将破坏原来载流子的动态平衡，但会阻止多数载流子的漂移运动，相当于PN结变宽，PN结呈现高阻状态，此时，少数载流子的漂移运动有所加强，由于少数载流子数量有限，形成的反向电流很小且基本不变。理论分析时，反向电流可忽略不计，这时称PN结为反向截止状态。需要指出的是温度的上升会使反向电流加大。

由此人们认为PN结加正向电压时出现较大的正向电流，加反向电压时反向电流很小，接近于零，这就是PN结的单向导电性能，作为组成各种功能不同的半导体器件的基础。

晶体二极管

从PN结的两端分别引出两根电极，然后加上外壳封装就构成最基本的普通半导体二极管，P区的引出线称为阳极（正极），N区的引出线称为阴极（负极)，如图2.1.5所示。二极管的电路符号如图2.1.6所示，二极管符号中的箭头表示正向偏置时电流的方向，正向电流从二极管阳极流入，阴极流出，具有单向导电性能。

(1)结构及分类

二极管的类型很多，从工艺上按PN结的面积大小，可分为点接触型和面接触型；按所用半导体材料，可分为硅管和锗管。

点接触型二极管由于PN结面积小，允许通过的正向电流较小，但PN结电容也很小，工作频率较高，通常用于高频电路作为检波器件或开关器件。

面接触型二极管的PN结面积较大，允许通过较大的正向电流，一般在较低的频率下运行。通常用于整流、限幅、箝位等电路中。

(2)二极管的伏安特性及主要参数

①二极管的伏安特性

伏安特性是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系曲线，该曲线可通过实验的方法求得，也可通过专用仪器直接测试求得，它是说明二极管性能的技术曲线。如图2.1.7所示。

正向特性

二极管两端外加正向偏置电压时，当正向偏置电压很小，还不足以克服内电场作用时，二极管不导通，不出现正向电流，故二极管存在一段死区，一般硅二极管的死区电压约为0.5V,锗二极管的死区电压约为0.2V。如果继续加大正偏电压达到抵消PN结内电场时，二极管正向电流随正偏电压急剧加大，二极管正向电阻很小，呈现导通状态，此时正向导通压降Uf基本维持不变，一般硅管的Uf约为0.7V,锗管的Uf约为0.3V。

反向特性

二极管两端外加的反向电压在一定值范围内时，使PN结电荷区加宽，由于少数载流子的漂移运动形成很微弱的反向电流Ir一般硅管的Ir为几微安以下，锗管的Ir为几十到几百微安。

继续加大反向电压超出一定值时，外加反向电压会破坏半导体材料的共价键结构，使内部载流子数量急剧加大，反向电流迅速增大，造成二极管的反向击穿，破坏二极管的单向导电性能。

主要参数

正确选择和使用二极管是十分重要的，必须依据其主要参数来选择二极管，从而保证组成各种不同功能的电子线路。二极管的主要参数有：

i最大整流电流

为二极管长期运行时，允许通过二极管的最大正向平均电流。应用时，二极管中的电流不能超过该值，否则二极管的PN结会因过热而损坏。

iⅱ最高反向工作电压

保证二极管单向导电性能不损坏而允许在二极管两端施加的最大反向偏置电压，一般取反向击穿电压的一半，确保二极管的安全运行。

ⅲ最大反向电流

为二极管在最高反向工作电压处所对应的反向电流。该电流值越小，二极管的性能越好，但受温度的影响，工作环境温度升高时，

也随之增大。

二极管还有很多参数，如工作频率、结电容等，实际应用时可参阅相关半导体器件手册。

(3)二极管的应用举例

二极管是电子线路中常用的基本半导体器件之一，广泛应用在整流、检波、箝位、限幅及数字开关电路中。

①整流电路

整流电路的作用是利用二极管的单向导电性能，将正弦交流电转换为单方向脉动的直流电，从而给直流负载提供直流电源，具体整流电路工作原理将在本书第四章中进行详细讨论。

②箝位电路

箝位电路是利用二极管正向导通压降很小的特性，使电路输出端某点电位在数值上维持一个不变数值的电路，如图2.1.8所示。设Va=0V时，二极管D会正向导通，其正向压降为0.7V,因此Vf=0.7V,所以F点的电位被钳制在0.7V不变。

③限幅电路

在计算机、电视机等许多电子线路中，往往要求对某个输人信号的幅度加以限制。此时可利用二极管组成各种限幅电路，使输出电压的幅度限制在某值以内，如图2.1.9所示。设二极管D为理想元件（忽略其正向导通压降及反向电流不计），当ui<E时，二极管反向截止，呈关断状态，此时u0=E；当ui>E时，二极管正向偏置呈导通状态，此时uo=ui,限幅电路的组成可根据实际需要而定。

特殊二极管

采用适当工艺方法，使PN结呈现一些其他特性可制造各种特殊二极管，如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等。

(1)稳压二极管

①稳压二极管及其伏安特性

稳压二极管实为一种特殊的面接触型硅二极管，工作在反向击穿时，流过它的反向电流在一定范围内变化时，管子两端电压几乎不变，具有稳压性能。它的电路符号如图2.1.10(a)所示，伏安特性曲线如图2.1.10(b)所示。

由图2.1.10(b)可知，稳压二极管的正向特性曲线与普通二极管类似，但反向击穿特性更为陡峭，正常运行时，工作在反向击穿特性上，反向电流在较大范围内变化时，其两端电压变化很小，呈现出电压稳定的特性。只要反向电流不超过最大容许值就不会产生热击穿而损坏。

②稳压二极管的主要参数

稳定电压Uz

正常运行时，反向电流为规定值时，管子两端所加的反向击穿电压值称为稳定电压Uz由于半导体器件参数的分散性，同一型号的稳压管Uz值不尽相同，使用应按规定测试电流(一般为10mA)进行实测。

稳定电流Iz

稳定电压Uz处所对应的反向工作电流称为稳定电流Iz，当实际电流低于此值，则稳压效果差，甚至不能稳压；而高于此值，但不超出最大稳定电流Izmax时均可正常工作且电流越大，稳压效果越好。

动态电阻rz

定义为在稳压范围内，稳压二极管两端电压的变化量△Uz与对应电流变化量△Iz之比值，即

此值一般为十几至几十欧姆，rz值越小，管子的反向击穿特性越陡，稳压效果越好。

最大耗散功率Pzm

使稳压二极管不产生热击穿所允许的最大功耗，超过此值时，管子将因温度过高而损坏。

(2)光电二极管

与普通二极管一样，其基本结构为一个面接触型的PN结，管壳上有一个嵌着玻璃的窗口，便于光线射人，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管，所以又称为光敏二极管。电路符号和结构分别如图2.1.11（a)和(b)所示。

光电二极管工作在反向偏置下。无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小，反向电阻可达几十兆欧。有光照时，激发电子和空穴对，在反向电压作用下，电子和空穴对参与导电形成较大的反向光电流，此时反向电阻下降至几千欧至几十千欧。光电流与光照强度成正比。如果外接负载，便可获得随光照强弱而变化的电信号。

光电二极管一般作为光电检测部件，广泛用于光的测量、光电自动控制、光纤通信等光接收机中。

(3)发光二极管

发光二极管是一种将电能转换成光能的固体部件，与普通二极管相似，也是由一个PN结组成，承受反向电压时不导通，也不发光。当承受正向电压时，多数载流子的扩散运动加强，大量的电子和空穴在空间电荷区复合时释放的能量，发生一定波长的可见光。电路符号如图2.1.12所示。

发光二极管的发光颜色主要取决于所用的半导体材料，常见的有红、黄等可见光，也可发出看不见的红外光。发光二极管具有驱动电压低、工作电流小、抗冲击能力较强、体积小、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号显示等电路中。