半导体二极管基本知识

半导体二极管基本知识
1概述
二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，半导体二极管是指利用半导体特性的两端电子器件。

最常见的半导体二极管是PN结型二极管和金属半导体接触二极管。

它们
的共同特点是伏安特性的不对称性，
即电流沿其一个方向呈现良好的导电
性，而在相反方向呈现高阻特性。

可
用作为整流、检波、稳压、恒流、变
容、开关、发光及光电转换等。

利用
高掺杂PN结中载流子的隧道效应可
制成超高频放大或超高速开关的隧道
二极管。

2结构
PN结两端各引出一个电极并加上管壳，就形成了半导体二极管。

PN结的P
型半导体一端引出的电极称为阳极，PN结的N型半导体一端引出的电极称为阴极。

半导体二极管按结构不同可分为点接触型、面接触型和平面型。

图1 二极管结构示意图及电路符号
2.1点接触型半导体二极管由一根金属丝与半导体表面相接触，经过特殊工艺，在接触点上形成PN结，作出引线，加上管壳封装而成，见图2。

点接触型二极管的PN结面积小，高频性能好，适用于高频检波电路、开关电路。

图2 点接触型二极管示意图
2.2面接触型半导体二极管，它的PN结是用合金法工艺制作而成的，见图3。

面接触型二极管的PN结面积大，可通过较大的电流，一般用于低频整流电路中。

图3 面接触型二极管示意图
2.3平面型半导体二极管，它的PN结是用扩散法工艺制作的，见图4。

平面型二极管常用硅平面开关管，其PN结面积较大时，适用于大功率整流;其PN结面积较小时，适用于脉冲数字电路中做开关管使用。

图4 平面型二极管示意图
2.4台面型半导体二极管，PN结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。

其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。

初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。

因此，又把这种台面型称为扩散台面型。

对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。

3主要参数
3.1二极管（通用）
开启电压V on:使二极管开始导通的临界电压称为开启电压V on。

反向电流I S:当二极管所加反向电压的数值足够大时，产生反向电流为I S。

最大整流电流I F:指二极管长期工作，允许通过的最大直流电流。

最高反向工作电压V R:指二极管正常使用允许加的最高反向电压。

3.2稳压二极管
a)稳定电压V Z: V Z是在规定电流下稳压管的反向击穿电压;
b)稳定电流I Z: I Z是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。

只要
不超过稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好;
c)额定功耗P ZM:P ZM等于稳压管的稳定电压UZ与最大稳定电流
I ZM的乘积。

稳压管超过此值时，会因结温升高而损坏;
d)动态电阻R Z: R Z为稳压管工作在稳压区时，稳压管电压的变化
量与电流变化量之比，即R Z愈小，电流变化时V Z的变化愈小，
稳压性能愈好;
e)温度系数α : 表示温度每变化1℃稳压值的变化量;
f)限流电阻Z:稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而
保证稳压管正常工作，故称这个电阻为限流电阻。

3.3整流二极管
a)最大平均整流电流I F:指二极管长期工作时允许通过的最大正
向平均电流。

该电流由PN结的结面积和散热条件决定。

使用
时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足散热
条件。

例如1N4000系列二极管的I F为1A。

b)最高反向工作电压V R:指二极管两端允许施加的最大反向电压。

若大于此值，则反向电流(I R)剧增，二极管的单向导电性被破
坏，从而引起反向击穿。

通常取反向击穿电压(V B)的一半作为
(V R)。

例如1N4001的V R为50V，1N4002-1n4006分别为100V、
200V、400V、600V和800V，1N4007的V R为1000V
c)最大反向电流I R:它是二极管在最高反向工作电压下允许流过
的反向电流，此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。

因此
这个电流值越小，表明二极管质量越好。

d)击穿电压V B:指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。

反向为软特性时，则指给定反向漏电流条件下的电压值。

e)最高工作频率f m:它是二极管在正常情况下的最高工作频率。

主要由PN结的结电容及扩散电容决定，若工作频率超过f m，
则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。

例如1N4000系
列二极管的fm为3kHz。

另有快恢复二极管用于频率较高的交
流电的整流，如开关电源中。

f)反向恢复时间t rr:指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态
电压下的反向恢复时间。

g)零偏压电容C O:指二极管两端电压为零时，扩散电容及结电容
的容量之和。

值得注意的是，由于制造工艺的限制，即使同一
型号的二极管其参数的离散性也很大。

手册中给出的参数往往
是一个范围，若测试条件改变，则相应的参数也会发生变化，例如在25°C时测得1N5200系列硅塑封整流二极管的I R小于
10uA，而在100°C时IR则变为小于500uA。

3.4瞬态抑制二极管
a)击穿电压V BR：瞬态抑制二极管通过规定的测试电流IT时的
电压，这是表示瞬态抑制二极管导通的标志电压。

b)反向断态电压V RWM与反向漏电流I R：反向断态电压(截止电
压)V RWM表示瞬态抑制二极管不导通的最高电压，在这个电压
下只有很小的反向漏电流I R。

c)脉冲峰值电流I PP：瞬态抑制二极管允许通过的10/1000μs波的
最大峰值电流（8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右），超过
这个电流值就可能造成永久性损坏。

在同一个系列中，击穿电
压越高的管子允许通过的峰值电流越小。

d)最大箝位电压V C：瞬态抑制二极管流过脉冲峰值电流IPP时
两端所呈现的电压。

e)脉冲峰值功率Pm：脉冲峰值功率Pm是指10/1000μs波的脉
冲峰值电流I PP与最大箝位电压V C的乘积，即Pm=I PP*V C。

4伏安（V-I）特性
二极管的核心是PN结，它的特性就是PN结的特性--单向导电性。

常用伏安特性曲线来描述二极管的单向导电性。

如图所示，横坐标代表电压，纵坐标代表电流，见图5 。

图5二极管伏安特性曲线
4.1正向特性
正向特性即二极管正向偏置时的电压与电流的关系。

二极管两端加正向电压较小时，正向电压产生的外电场不足以使多子形成扩散运动，这时的二极管实际上还没有很好地导通，通常称为"死区"，二极管相当于一个极大的电阻，正向电流很小。

当正向电压超过一定值后，内电场被大大削弱，多子在外电场的作用下形成扩散运动，这时，正向电流随正向电压的增大迅速增大，二极管导通。

该电压称为门槛电压(也称阈值电压)，用Vth表示。

在室温下，硅管的Vth约为0.5V，锗管的Vth约为0.1V。

二极管一旦导通后，随着正向电压的微小增加，正向电流会有极大的增加，此时二极管呈现的电阻很小，可认为二极管具有恒压特性。

二极管的正向压降硅管约为0.6~0.8V(通常取0.7V)，锗管约为0.2~0.3V(通常取0.2V)。

4.2反向特性
反向特性即二极管反向偏置时的电压与电流的关系。

反向电压加强了内电场对多子扩散的阻碍，多子几乎不能形成电流，但是少子在电场的作用下漂移，形成很小的漂移电流，且与反向电压的大小基本无关。

此时的反向电流称为反向饱和电流尽，二极管呈现很高的反向电阻，处于截止状态。

4.3反向击穿特性
反向电压增加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为二极管的反向击穿。

此时对应的电压称为反向击穿电压，用V BR表示。

实际应用中，应该对反向击穿后的电流加以限制，以免损坏二极管。

5符号
二极管有多种不同的分类，大体上可以使用下列图标表示，见图6：
图6 二极管图标符号
6分类及应用
别看二极管是基础元器件，但是他的种类很多，前面提到过有点接触型二极管、平面型二极管、整流二极管等仅仅是一个侧面，我们用下面的图全面展示当前市面上应用的二极管分类情况，见图7.
图7 二极管分类汇总
7识别与检测
7.1简单识别二极管：小功率二极管的N极（负极），在二极管外表
大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P 极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。

发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。

用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。

7.2简单检测二极管好坏：把万用表的红表笔搭触二极管的正极，
黑表笔搭触二极管的负极，若表针指在无穷大值或接近无穷大值，
二极管就是合格的，见图8万用表测量。

图8 万用表测量。