半导体二极管的相关知识

1.3.1 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——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

1.3.2 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＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。
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＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。
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

1.3.5 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：

1.3.6 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＜IZmin，则不能稳压。
(5)稳定电压温度系数 ——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。