半导体二极管基础知识解读

1、 1.1 半导体的基础知识 物体根据导电能力的强弱可分为导体、半导体和 绝缘体三大类。凡容易导电的物质（如金、银、铜、 铝、铁等金属物质）称为导体；不容易导电的物质 （如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等）称为绝缘体；导电 能力介于导体和绝缘体之间的物质（如硅、锗、硒等） 称为半导体。半导体之所以得到广泛的应用，是因为 它具有热敏性、光敏性、掺杂性等特殊性能。 1.1.1本征半导体 本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半 导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。 半导体硅和锗都是4价元素，其原子结构如图 1.1(a),(b)所示。 半导体二极管基础知识解读半导体二极管基础知识解读 4 惯性核 价电

2、子 Ge 32 Si 14 原子核 电子轨道 价电子 (a)(b) (c) 图1.1半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 第一章 半导体二极管 本征半导体晶体结构示意图如图1.2所示。由图1.2可见， 各原子间整齐而有规则地排列着，使每个原子的4个价电子不仅 受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个 价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每 个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核 束缚而成为自由电子，因此，本征半导体导电能力较差。 但是，如果能从外界获得一定的能量（如光照、温升等）， 有些价电子就会挣脱共价键的束缚而

3、成为自由电子，在共价键 中留下一个空位，称为“空穴”。空穴的出现使相邻原子的价 电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时，这个共价键 又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而 产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空 穴在运动，并把空穴看成一种带正电荷的载流子。空穴越多， 半导体的载流子数目就越多，因此形成的电流就越大。 第一章 半导体二极管 4 共价键 44 444 444 价电子 图1.2 单晶硅的共价键结构 第一章 半导体二极管 看看这里看看这里 在本征半导体中，空穴与电子是成对出现的，称为电子空穴对。 其自由电子和空穴数目总是相等的。本征半导体在温度升高时

4、产生电 子空穴对的现象称为本征激发。温度越高，产生的电子空穴对数 目就越多，这就是半导体的热敏性。 在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自 由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能 发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，杂质半导体可分为P型 半导体和N型半导体两大类。 1. P型半导体 P型半导体是在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如 硼、铟等）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组 成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便产生一个空穴，当相邻共 价键上的电子

5、受热激发获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原 子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键因缺少了一个电子， 便形成了空穴，使得整个半导体仍呈中性，如图1.3所示。 第一章 半导体二极管 图1.3 P型半导体的共价键结构 第一章 半导体二极管 在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子空穴 对，由于杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子 数目，成为多数载流子(简称多子)，而自由电子则为 少数载流子(简称少子)。因而P型半导体以空穴导电 为主。 2. N型半导体 N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元 素（如磷、砷、镓等）而形成的，杂质原子有5个价电 子与周围硅原子结合成共价键时，多出1个

6、价电子，这 个多余的价电子易成为自由电子，如图1.4所示。 综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相 当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电 性能的有效方法。 第一章 半导体二极管 4 自由电子 44 454 444 施主原子 图1.4 N型半导体的共价键结构 第一章 半导体二极管 1.1.3 PN结及其单向导电性 1.PN结的形成 在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半 导体，它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷 区，称其为PN结。 PN结的形成过程如图1.5所示。 第一章 半导体二极管 P区 (a) N区 (b) PN 耗尽层空 间电荷区 扩散运动方向自建场 图1.5

7、PN结的形成 （a）多子扩散示意图；（b）PN结的形成 第一章 半导体二极管 2. PN结的单向导电性 1）PN结正向偏置导通 给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N区（即 正向连接或正向偏置），如图1.6（a）所示。由于PN结是 高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部 落在PN结上。由图可见，外电场将推动P区多子（空穴） 向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和，推动N区的多 子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和，使空 间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地 向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，其结果使电路中 形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结

8、对外呈 现较小的阻值，处于正向导通状态。 第一章 半导体二极管 结变窄 PN 自建场方向 外电场方向 正向电流（很大） 结变宽 PN 自建场方向 外电场方向 反向电流（很小） (a)(b) 图1.6 PN结的单向导电性 （a）正向连接; （b）反向连接 第一章 半导体二极管 看看这里看看这里 2）PN结反向偏置截止 将PN结按图1.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。 由图可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多 子（电子）从PN结附近拉走，将P区的多子（空穴）从PN 结附近拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破 了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少 子运动，因

9、而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认 为PN结截止。 综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向 偏置时，反向电流很小，这就是PN结的单向导电性。 3) PN结的电容效应 (1)势垒电容CT。当PN结的外加电压大小变化时，PN结空 间电荷区的宽度也随着变化，即电荷量发生变化。这种电 荷量随外加电压的变化所形成的电容效应称为势垒电容。 势垒电容通常用CT表示。CT不是一个常数，它随外加电压 的变化而变化。利用势垒电容可以制成变容二极管。 第一章 半导体二极管 (2)扩散电容CD。扩散电容是PN结在正向偏置时，多数载 流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。扩散电容通常用 CD表示。

10、PN结的结电容Cj包含两部分，即Cj=CT+CD。一般 情况，PN结正偏时，扩散电容起主要作用，即 Cj=CD;PN结反偏时，势垒电容起主要作用，即 Cj=CT。 2 半导体二极管 2.2.1 半导体二极管的结构、符号及类型 1结构符号 二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.7所示,在 图1.7(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。 第一章 半导体二极管 PN (阳极) 外壳 阴极引线阳极引线 (阳极)(阴极)(阴极) (a)(b) V 第一章 半导体二极管 图1.7 二极管结构、符号及外形举例 (a)结构；(b)符号 2AP 2CP 2CZ542CZ132CZ30 (c)

11、图1.7 二极管结构、符号及外形举例 (c)外形 第一章 半导体二极管 2类型 (1) 按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。 (2) 按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。 (3) 按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。 (4）按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。 (5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。 1.2.2 半导体二极管的特性 1.伏安特性 根据制造材料的不同，二极管可分为硅、锗两大类。相应的伏安特性也分为两 类。图1.8（a）所示为硅二极管的伏安特性;图1.8（b）所示为锗二极管的伏安特性。 现以图1.8（a）所示

12、硅二极管为例来分析二极管的伏安特性。 第一章 半导体二极管 00.40.81.2 U / V 4 8 I / mA A 10 20 B C 二极管特性 死区 电压 I / A (a) 50100150 UB E D R U I R U I 图1.8 二极管的伏安特性 （a）硅二极管2CP6; 第一章 半导体二极管 0 0.4 0.8 1.2 U / V 4 8 I / mA A 0.2 B C 死区 电压 I / A (b) 1020 UB 3040 图1.8 二极管的伏安特性 （b）锗二极管2AP15 第一章 半导体二极管 1）正向特性 OA段：称为“死区”。 AB段：称为正向导通区。 2）

13、反向特性 OD段：称为反向截止区。这时二极管呈现很高的电阻， 在电路中相当于一个断开的开关，呈截止状态。 DE段：称为反向击穿区。当反向电压增加到一定值时， 反向电流急剧加大，这种现象称为反向击穿。发生击穿 时所加的电压称为反向击穿电压，记做B。这时电压的 微小变化会引起电流很大的变化，表现出很好的恒压特 性。同样，若对反向击穿后的电流不加以限制，结 也会因过热而烧坏，这种情况称为热击穿。 第一章 半导体二极管 2. 温度特性 温度对二极管伏安特性的影响如图1.9所示。 (1)当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动。这是 因为温度升高时，扩散运动加强，产生同一正向电流所需的压 降减小的缘故

14、。 (2)当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动。这是 因为温度升高，本征激发加强，半导体中少子数目增多，在同 一反向电压下，漂移电流增大的缘故。 (3)当温度升高时，反向击穿电压减小。击穿现象是由于大 的反向电流使少数载流子获得很大的动能，当它与结内的 原子发生碰撞时，产生了很多的电子空穴对，使结内载 流子数目急剧增加，并在反向电压作用下形成很大的反向电流。 因此温度升高时，反向击穿电压减小。 综上所述，温度升高时，二极管的导通压降F降低，反向 击穿电压B减小，反向饱和电流IS增大。 第一章 半导体二极管 60 40 20 100200300 10 20 00.51 80 20 U /

15、V UF IS / A I / mA 图1.9 温度对二极管伏安特性的影响 第一章 半导体二极管 2.3 半导体二极管的主要参数 二极管的参数是定量描述二极管性能的质量指标，只 有正确理解这些参数的意义，才能合理、正确地使用 二极管。 1. 最大整流电流IF 最大整流电流是指管子长期运行时，允许通过的最 大正向平均电流。因为电流通过PN结时要引起管子发 热。电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。 例如2AP1最大整流电流为16mA。 2. 反向击穿电压UB 反向击穿电压是指反向击穿时的电压值。击穿时，反 向电流剧增，使二极管的单向导电性被破坏，甚至会 因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反

16、向工作电压 约为击穿电压的一半，以确保管子安全工作。例如 2AP1最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿 电压可大于40V。 第一章 半导体二极管 3. 反向饱和电流IS 在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向饱和电 流。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。由于温度升高， 反向电流会急剧增加，因而在使用二极管时要注意环境温度的 影响。 二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件 手册中都给出不同型号管子的参数。在使用时，应特别注意不 要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易损 坏。 1.4 特殊二极管 前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用途的二极 管,如

17、稳压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等, 现介绍如下。 1稳压二极管 1）稳压二极管的工作特性 稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图1.20所示。 第一章 半导体二极管 看看这里看看这里 (a) UZ UZ UBUA U / V O IZ IZ IA(IZmin) IB(IZmax) A B I / mA V 图1.20稳压二极管的特性曲线和符号 (a)伏安特性曲线；(b)符号 第一章 半导体二极管 (b) 看看这里看看这里 2）稳压二极管的主要参数 （1）稳定电压UZ。 稳定电压UZ即反向击穿电压。 (2)稳定电流IZ。 稳定电流IZ是指稳压管工作至稳压状态时流过的电流。当

18、稳压管稳 定电流小于最小稳定电流IZmax时,没有稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时, 管子因过流而损坏。 2发光二极管 发光二极管与普通二极管一样,也是由PN结构成的,同样具有单向导 电性,但在正向导通时能发光,所以它是一种把电能转换成光能的半导体 器件。电路符号如图1.24所示。 图1.2.4 发光二极管电路符号 V 第一章 半导体二极管 1）普通发光二极管 普通发光二极管工作在正偏状态。 检测发光二极管,一般用万用表R10k()挡,方法和普通二 极管一样,一般正向电阻15k左右,反向电阻为无穷大。 2）红外线发光二极管 红外线发光二极管工作在正偏状态。 用万用表R1k()挡检测,若正向阻值在30k左右,反向为 无穷大,则表明正常,否则红外线发光二极管性能变差