半导体二极管及其应用

1、 第 1 章 半导体二极管及其应用 本章要点 半导体基础知识 PN 结单向导电性 半导体二极管结构、符号、伏安特性及应用 特殊二极管 本章难点 半导体二极管伏安特性 半导体二极管应用 半导体器件是近代电子学的重要组成部分。只有掌握了半导体器件的结构、性能、工 作原理和特点，才能正确地选择和合理使用半导体器件。半导体器件具有体积小、重量 轻、功耗低、可靠性强等优点，在各个领域中得到了广泛的应用。半导体二极管和三极管 是最常用的半导体器件，而 PN 结又是组成二极管和三极管及各种电子器件的基础。本章 首先介绍有关半导体的基础知识，然后将重点介绍二极管的结构、工作原理、特性曲线、 主要参数以及应用电

2、路等，为后面各章的学习打下基础。 1.1 PN 结 1.1.1 半导体基础知识 1. 半导体特性 自然界中的各种物质，按其导电能力划分为：导体、绝缘体、半导体。导电能力介于 导体与绝缘体之间的，称之为半导体。导体如金、银、铜、铝等；绝缘体如橡胶、塑料、 云母、陶瓷等；典型的半导体材料则有硅、锗、硒及某些金属氧化物、硫化物等，其中， 用来制造半导体器件最多的材料是硅和锗。 半导体之所以用来制造半导体器件，并不在于其导电能力介于导体与绝缘体之间，而 在于其独特的导电性能，主要表现在以下几个方面。 (1) 热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时， 其导电能力增强，称为热

3、敏性。利用热敏性可制成热敏元件。 (2) 光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强， 称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。 (3) 掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂 性。这里所说的“杂质”，是指某些特定的纯净的其他元素。在纯净半导体中，只要掺入 极微量的杂质，导电能力就急剧增加。一个典型的数据是：如在纯净硅中，掺入百万分之 一的硼，其导电能力增加约 50万倍。 2. 本征半导体 2 模拟电子技术 本征半导体是一种完全纯净、具有晶体结构的半导体。在温度为零开尔文 （0K，相当 于-273.15 C ）时，每一个原子的外围电子被共

4、价键所束缚，不能自由移动。这样本征半导 体中虽然具有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体呈电中性。 用来制造半导体器件的硅、锗等材料，其原子排列均为紧密的整齐的晶体点阵结构， 而硅（元素序号14）或锗（元素序号28）的原子结构最外层都是四个价电子。但是，对于原子 核结构而言，最外层有八个电子才是稳定结构，因此，每个原子都要争夺相邻的四个价电 子，以求达到稳定状态，结果使得每个原子最外层的四个价电子都既受自身原子核的吸 引，围绕自身的原子核转动，又受相邻原子核的吸引，经常出现在相邻原子的价电子轨道 上。这样就形成了一种特殊的结构。从而使每个硅 （锗）原子最外层形成了拥有八个共有电 子的相对稳

5、定的结构。由于每对价电子是每两个相邻原子共有的，因而将这种结构称为 “共价键”结构，如图 1-1所示。 “共价键结构”把相邻的原子结合在一起，由于每个原子的最外层均有八个电子，因 而处于相对稳定的状态。但是，也正是由于“共价键”的特殊结构方式，使得原子最外层 的共有电子不像绝缘体中被原子核束缚得那样紧。在一定温度下，当共价键中的价电子受 到热激发，或从外部获得能量时，共价键中的某些价电子就可以挣脱原子核的束缚，而成 为自由电子。既然有些价电子挣脱了原子核的束缚，而成为自由电子，在原来的共价键 中，便留下了一些“空位”，我们称之为“空穴”，如图 1-2所示。自由电子呈负电性， 而失去一个价电子的

6、硅原子则成为 +1价离子，好像这个空位带有 +1价电荷一样，因此空 穴呈正电性。显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为电子空穴对。在本征半 导体中电子与空穴的数量总是相等的。把在热或光的作用下，本征半导体中产生电子空穴 对的现象，称为本征激发，又称热激发。 由于共价键中出现空位，在外电场或其他能源的作用下，吸引相邻原子中的价电子来 填补空穴，当一个价电子填补空穴时，它原来的位置上又出现了新的空穴。如图 1-3所 示，电子由 d a，但仍处于束缚状态，而空位由 b宀c。为了区别于自由电子的运第 1章 半导体二极管及其应用 3 动，我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动，一般认为空穴是一种

7、带正电荷的载流 子，它所带电荷和电子相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存在两种载流子：电子 和空穴。而金属导体中只有一种载流子一一电子。本征半导体在外电场作用下，两种载流 子的运动方向相反而形成的电流方向相同。 图 1-3 电子与空穴的移动 自由热激境而 产生的自由电 子 口由电子移走 后斑下的空冗 图 1-2 本征激发产生电子空穴对示意图 4 模拟电子技术 3. 杂质半导体 在本征半导体中掺入不同的杂质，可以改变半导体中两种载流子的浓度。根据掺入杂 质种类的不同，半导体可以分 N型半导体（掺入五价元素杂质）和P型半导体（掺入三价元 素杂质）。 （1） N型半导体 在纯净的半导体硅（或锗）

8、中掺入微量五价元素（如磷）后，就可以成为 N型半导体，如 图1-4所示。由于五价的磷原子同相邻四个硅 （或锗）原子组成共价键时，有一个多余的价 电子不能构成共价键，这个价电子就变成了自由电子。因此在这种半导体中，自由电子数 远远大于空穴数，导电以电子为主，故此类半导体亦被称为电子型半导体。第 1章 半导体二极管及其应用 5 （2） P型半导体 在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼 （或铟）等。硼原子只有三个价电 子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位。当相邻 共价键的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位而在该 相邻原子中便出

9、现一个空穴，每个硼原子都能提供一个空穴，这个空穴与本征激发产生的 空穴都是载流子，具有导电性能。 P型半导体共价键结构如图 1-5所示。 值得注意的是，掺杂在产生空穴的同时，并不能产生新的自由电子，只是原来的晶体 本身仍会因热激发产生少量电子空穴对。掺入的三价元素杂质越多，空穴的数量越多。在 P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子 （简称“多子”），自由电子 为少数载流子（简称“少子”）。导电以空穴为主，故此类半导体又被称为空穴型半导体。 1.1.2 PN 结 1. PN结的形成 PN结并不是简单地将 P型和N型材料压合在一起，它是根据“杂质补偿”的原理， 采用合金法或平面扩散

10、法等半导体工艺制成的。虽然 PN结的物理界面把半导体材料分为 P区和N区，但整个材料仍然保持完整的晶体结构。 当P型半导体和 N型半导体结合在一起时，在 N型和P型半导体的界面两侧明显地 存在着电子和空穴的浓度差，此浓度差导致载流子的扩散运动： N型半导体中电子（多子） 向P区扩散，这些载流子一旦越过界面，就会与 P区空穴复合，在 N区靠近界面处留下 正离子；同理，P型半导体中空穴（多子）由于浓度差向N区扩散，与N区中电子复合，在 P区靠近界面处留下负离子。伴随着这种扩散和复合运动的进行，在界面两侧附近形成一 个由正离子和负离子构成的空间电荷区，如图 1-6所示。 空间电荷区内存在着由 N区指

11、向P区的电场，这个电场称为内建电场，该内建电场 阻止两区多子的扩散，促进少子的漂移。 显然，半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾的两个方面。随着多子 扩散的进行，空间电荷区内的离子数增多，内建电场增强；与此同时，内建电场的增强有 利于少子的漂移，漂移电流增大，图 1-4 N型半导体共价键结构 图 1-5 P型半导体共价键结构 +.* 6 模拟电子技术 最终当漂移电流和扩散电流相等时，达到动态平衡，在 界面处形成稳定的空间电荷区，通常将其称为 PN结，如图1-7所示。这时，再没有净的 电流流过PN结，也不会有净的电荷迁移。第 1章 半导体二极管及其应用 7 2. PN结的单向导电性

12、(1) PN结加正向电压 所谓PN结加正向电压，也可称为正向偏置，是指将 PN结的P区接电源正极，N区 接电源负极，如图1-8所示。 这时，有外加电场后，外电场的方向刚好与 PN结内电场的方向相反。在外加电场 作用下，PN结内部扩散与漂移的平衡被打破，而且由于外电场的作用， P区的多数载流 子空穴和N区的多数载流子电子都要向 PN结移动。P区的空穴进入 PN结后，将和原来 PN结中的一部分正离子中和，其结果是使 N区的空间电荷量减少，最终结果是使 PN结 空间电荷区变窄。空间电荷区的变窄，意味着阻挡层的厚度变薄，内电场进一步被减弱， 它对多子扩散的阻力减小， P区与N区中能越过PN结的多数载流

13、子数目大大增加，形成 了一个扩散电流。而正向偏置下的 PN结将相当于一个数值很小的电阻，可视为 PN结正 向导通。 这种情况下，由少数载流子形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，但数值很小， 常常可忽略不计。 (2) PN结加反向电压 PN结加反向电压，是指将 PN结的P区接电源负极，将其 N区接电源正极，如 图1-9所示。 显然，此时外电场的方向与内电场的方向相同，在这一外电场作用下， P区中的多子 空穴与N区中的多子电子都将进一步离开 PN结，使阻挡层的空间电荷量增加。空间电荷 区的变宽，意味着阻挡层厚度加大，使 P区和N区的多数载流子很难越过 PN结，不能再 形成扩散P 区 NIX /少

14、 o o o o 6 o OOOOOO 00000 0 * - G P： 空间电荷区 o O O O O O 000001 0 0 0 O S 0 * : 图 1-7 多子的扩散与空间电荷区的形成 少 r 事了扩融 图 1-6 P型半导体与 N型半导体的交界面 图 1-8 PN结加正向电压 图 1-9 PN结加反向电压 8 模拟电子技术 电流。 另一方面，由于外电场增强了内电场，将使少数载流子的漂移运动更容易进行。在这 种情况下，漂移成矛盾的主要方面，而且形成一个反向漂移电流。由于少子的浓度低，漂 移的数量小，这个反向漂移电流也很小，一般为微安数量级。而整个 PN结表现为一个很 大的电阻，可视

15、为 PN结反向截止。 这里，有一点需要特别说明的是，反向漂移电流具有明显的饱和性，这是因为，少数 载流子是由本征激发所产生的，其数值取决于温度，而与外加电压几乎无关。在一定温度 下，只要外加电压所产生的电场足以把这些少子都吸引过来，形成漂移电流，电压即使再 增加，也不能使载流子的数目增多，电流的数值则趋于稳定，因而，常常将这一电流称为 反向饱和电流。 也正因为如此，反向饱和电流虽然数值不大，但它受温度的影响很大，在实际应用中 必须考虑这一点。 综上所述，可得出结论： PN结的正向电阻很小，可视为正向导通；反向电阻很大， 可视为反向截止。这就是 PN结的单向导电性。 1.2 半导体二极管 半导体

16、二极管由一个 PN结加上电极引线和管壳构成。 P型区引出的电极称为阳极， N型区引出的电极称为阴极。半导体二极管在电子电路中应用颇多，本节对二极管作专门 介绍。 1.2.1 基本结构、种类与符号 1. 结构与符号 二极管的结构主要可分为点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管如图 1-10(a)所示，它由一根很细的金属丝与半导体的表面相接触， 经过特殊工艺在接触点上形成 PN结。其特点是 PN结的面积小，极间电容小，但不能承 受高的反向电压和大电流。它的高频性能好，适用于高频检波和数字电路中的开关及小电 流整流。例如， 2AP1点接触型二极管，其最大整流电流为 16mA，最高工作频率可达 15

17、0MHz。 面接触型二极管如图 1-10(b)所示。它的PN结采用合金法或扩散法制成。 PN结面积 大，可承受较大的电流，但极间电容也大，工作频率受到影响。面接触型二极管适用于低 频和大功率整流。例如， 2CP1为面接触型二极管，最大整流电流可达 400mA，而最高工 作频率只有3kHz。 半导体二极管的电路符号标志如图 1-11所示。第 1章 半导体二极管及其应用 9 图 1-10 二极管的不同结构 2. 分类 讨论二极管的分类可以从以下几个不同角度进行。 按照二极管的结构分，可分为点接触型和面接触型两大类。 按照二极管的材料，可分为硅二极管和锗二极管。 按照二极管的用途，则可分为普通二极管

18、、整流二极管、稳压二极管、光电二极管及 变容二极管等。 1.2.2 伏安特性 半导体二极管的伏安特性指的是流过二极管的电流与二极管两端电压的关系曲线。这 一关系曲线如图1-12所示，可分为三部分进行分析。 (1) 正向特性：对应于图1-12曲线的第段，为二极管伏安特性的正向特性部分。 这时加在二极管两端的电压不大，从数值上看，只有零点几伏，但此时流过二极管的 电流却较大，即此时二极管呈现的正向电阻较小。一般硅管正向导通压降约为 0.60.7V, 锗管约为0.20.3V。 但是，在正向特性的起始部分，即开始加在二极管两端的外加电压较小时，外电场还 不足以克服 PN结的内电场，这时的正向电流几乎为

19、零，二极管仍然呈现较大的电阻，好 像有一个门槛。只有当外加电压超过某一电压后，正向电流才显著增加。这个一定数值的 电压就称为门槛电压，或死区电压，记作 UTH。硅管的死区电压约为 0.5V，锗管的死区电 压约为0.1V。 (2) 反向特性：对应于图1-12曲线的第段，是当二极管加反向电压时的情况。 当外加反向电压时，由于少数载流子的漂移，可以形成反向饱和电流，又由于少子的 数目少，因此反向电流很小，用 Is表示。另一方面，硅管的反向电流比锗管小得多。如果 温度升高，少子数目增多，反向电流增大。 (3) 反向击穿特性：对应于特性曲线的第段。 当作用在二极管的反向电压高达某一数值后，反向电流会剧增

20、，而使二极管失去单向 导电性，这种现象称为击穿，所对应的电压称为击穿电压。二极管的反向击穿，亦即 结的反向击穿，可分为热击穿与电击穿两种。 ST :; 金涕合金 ”底座 (胡点搖触曜二极科 (b)面接触型様汁 图 1-11 二极管符号 PN 铝合金小球 阴极引线 10 模拟电子技术 产生电击穿的原因是，在强电场的作用下，大大增加了少子的数目，从而引起反向电 流的剧增。电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。 雪崩击穿的物理过程是：当反向电压增加时，空间电荷区电场随之增强，弓I起少子漂 移的加速运动，并造成电子与原子间的相互碰撞，这种碰撞又将中性电子的价电子碰撞出 来，形成新的电子-空穴对，新产

21、生的电子-空穴对又在结区加速并碰撞，再产生电子- 空穴对，形成载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像 在陡峻的雪山上发生了雪崩一样，载流子数量大增，反向电流随之剧增。 齐纳击穿与上述雪崩击穿完全不同。这是由于外加电场过强时，它将强制地把结区硅 原子结构中的外层价电子从共价键中拉出来，破坏了共价键结构，产生电子空穴对，同 样使载流子的数目急剧上升，反向电流增大。 上述两种电击穿的过程是可逆的，即当加在管子两端的反向电压降低后，管子仍可恢 复原来的状态，但是，如果电击穿中的电压过高，电流过大，消耗在 PN结上的功率超过 它的耗散功率，电击穿就可能过渡到热击穿，并很快将

22、PN结烧毁，造成永久性损坏。 理想二极管的电流与端电压之间有如下关系 U ID =ls(eUT -1) (1-1) UT为温度电压当量，在室温 T=300K时，UT : 26mV。 1.2.3 主要参数 二极管的特性除了可用特性曲线来表示以外，还可以用它的参数来表征。电子器件的 参数是用来表征二极管性能优劣及适用范围的指标，也是设计电路、选择器件的主要依 据，这里介绍几个二极管的主要参数。 1. 最大整流电流IF 指二极管在长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小 于IF,电流过大时会出现热击穿，而使管子烧毁。一般情况下点接触型二极管的最大整流 约几十毫安，面接触型二极

23、管的最大整流电流可达几十安培以上。 2. 最高反向工作电压 URM 第 1章 半导体二极管及其应用 11 指二极管运行时允许承受的最高反向电压。为避免二极管的反向击穿，一般规定其最 高反向电压为其反向击穿电压的 1/2或2/3。一般点接触型二极管的最高反向工作电压为 几十伏，面接触型二极管的最高反向电压可达数百伏。 3. 反向电流I R 指二极管在加上反向电压时的反向电流值。该值越大，说明管子的单向导电性越差， 而且受温度的影响越大。硅管的反向电流较小，一般为零点几个微安，甚至更少；锗管反 向电流较大，为硅管的几十到几百倍。 4. 最咼工作频率f M 此参数主要由PN结的结电容决定，结电容越大

24、，二极管允许的最高工作频率越低。 使用时，如果信号频率超过该频率，二极管的单向导电性会变差。 需要指出的是，半导体器件的参数都是在一定条件下测得的，当条件改变时，参数亦 会有所改变；此外，由于制造工艺的限制，即使同一型号的二极管，其参数的分散性也较 大。各种二极管的参数可从半导体器件手册中查到。 1.2.4 使用注意事项 (1) 在电路中应按注明的极性进行连接。 (2) 应根据需要正确地选择型号。同一型号的整流二极管方可串联、并联使用。在串 联或并联使用时，应视实际情况决定是否需要加入均衡 (串联均压，并联均流)装置电阻。 (3) 引出线的焊接或弯曲处，离管壳距离不得小于 10mm。为防止因焊

25、接时过热而损 坏，要使用小于 60W的电烙铁，焊接时间不应超过 23S,并在管壳与焊接点之间保证有 良好的散热。 (4) 应避免靠近发热元件，并保证散热良好。工作在高频或脉冲电路的二极管引线要 尽量短，不能用长引线弯成圈来达到散热目的。 (5) 对整流二极管，为保证其可靠工作，建议反向电压降低 20%再使用。应防止瞬间 或长时间过电压，使用中应结合实际情况加保护装置。 (6) 切勿超过手册中规定的最大允许电流和电压值。 (7) 二极管的替换。硅管与锗管不能互相代用。所替换的二极管其最高反向工作电压 及最大整流电流不应小于被替换管。根据工作特点，还应考虑其他特性，如截止频率、结 电容及开关速度等

26、。12 模拟电子技术 1.3 二极管应用 1.3.1 整流 所谓整流，就是将交流电变为单方向脉动的直流电。整流电路是二极管的主要应用领 域之一。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过 滤波、稳压，便可获得平稳的直流稳压电源。这些内容将在第 10章详细介绍。对于 5A 以下的整流电路，可选用 IN4000、2CZ系列的整流二极管。部分常用整流二极管主要参 数见附录B表B-1和表B-2。 1.3.2 检波 就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小 (100mA)作为界 限，通常把输出电流小于 100mA的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达 40

27、0MHz， 正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好。实际中常用的检波二极管 为2AP型。类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、 调制、混频、开关等电路，也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。 检波二极管的选择主要考虑工作频率是否满足电路的要求。一般在检波电路中选用 2AP系列和进口的IN60、IN34、IS34等二极管。部分 2AP系列的主要参数见附录 B 表B-3，读者在选用时可参考该表 。 1.3.3 钳位 禾U用二极管正向导通时压降很小的特性可组成钳位电路，如图 1-13所示，若 A点 VA=0，二极管 D可正向导通，其压降很小，故 F点的

28、电位也被钳制在 0V左右，即 VF & 0。 0+) 图 1-13 二极管钳位电路 1.3.4 限幅 利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路， 使输出电压幅度限制在某一电压值内。 图1-14(a)为一种二极管限幅电路，为了分析方便设 D为理想二极管，Ui=UmSint,且 Um E。在Ui变化过程中，UiV E时， 理想二极管处于反向偏置而截止， 电路中电流为 零，UR=0，所以Uo=U i。在t1t2这段时间内，Ui E,二极管处于正向偏置而导通，其正第 1章 半导体二极管及其应用 13 向压降为零，所以 u=E,即输入电压的幅度被限为 E值，输入电

29、压超出 电阻R上，u。的波形如图1-14(b)所示。这种限幅电路也被称为削波电路。 如果把图1-14(a)中二极管 D和直流电源 度，其电路和输出的电压波形如图 1-15所示。 (a)电路 图 1-14 限制输出电压正半周幅度的限幅电路 若把1-14(a)和1-15(a)两个限幅电路组合起来就构成双向限幅电路，如图 1-16所示。 图 1-15 限制输出电压负半周幅度的限幅电路 E的部分压降在 E反接，就可以限制输出电压负半周的幅 D - - - D 5 1 + E匸 - a (b)输出电压波吧 R 但)电览 14 模拟电子技术 图 1-16 双向限幅电路(a)电路 D| S D:S (b)输

30、出电压波形 第 1章 半导体二极管及其应用 15 135 元件保护 在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，在如图 示的电路中，L和R是线圈的电感和电阻。 在开关S接通时，电源 E给线圈供电，L中有电流通过，存储了磁场能量。在开关 S 由接通到断开的瞬间，电流突然中断， L中将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势 eL, eL与E叠加作用在开关 S的端子上产生电火花放电，这将影响设备的正常工作，使开 关S寿命缩短。接入二极管 D之后，通过二极管 D产生放电电流，使 L中存储的能量不 经过开关S放掉，从而保护了开关 S。 1.4 特殊二极管 除了前面所介绍的一般二极管之外，

31、还有一些具有专门用途的特殊二极管，本节将介 绍其中的几种主要类型。 1.4.1 稳压二极管 1.电路符号与伏安特性 稳压二极管是利用二极管反向击穿的特性制成的，专门作为稳定电压用的面接触型硅 二极管。它的外形与内部结构也和普通二极管相似，对外具有两个电极。图 1-18即为稳 压管的符号。 稳压二极管的伏安特性如图 1-19所示，它的伏安特性与普通二极管相似，略有差异 的是它的反向特性。它的反向特性比普通二极管更加陡直，这正是它用来稳压的依据 所在。 对普通二极管来说，它的反向电流随着反向电压的增加而增加，一旦达到击穿电压， 二极管被击穿。若无限流电阻，管子将因电流过大而被烧毁。 由稳压管的伏安

32、特性可见，当反向电压小于击穿电压时，反向电流很小；当反向电压 增加到等于击穿电压 Uz后，反向电流急剧增加。由图 1-19可见，反向电压只要略有增 加，反向电流就有很大增加，这也是说，当反向电流在很大范围内变化时，反向电压变化 不大。稳压管正是利用这一点来稳压的。图 1-19中曲线的 AB段是稳压管的反向击穿1-17 所 图 1-17 二极管保护电路 16 模拟电子技术 区，电压Uz称为稳定电压。 如果稳压管只工作在电击穿情况下，结构不被破坏，则击穿是可逆的，当除去外加电 压后，其击穿即可恢复。但是，如果反向电流太大，超过了电流允许值，或者稳压管的功 率损耗过大超过了允许值，稳压管便会造成不可

33、逆热击穿而使稳压管损坏。因此，稳压管 在使用中，必须在电路中串联一个限流电阻。 显然，稳压管应当工作在反向击穿区。一个典型的稳压管稳压电路如图 图 1-20 稳压管稳压电路 在图1-20电路中，当电路输入端的电压发生变化，而引起负载两端的电压变化时, 它的稳压过程可如下所示 b. 有关稳压管的稳压过程，在第 10章直流电源中还将专门讨论。 这里，还有一点需要说明的是，通常稳定电压大于 6V的稳压管属于雪崩击穿，小于 5V的稳压管为齐纳击穿，56V范围内的稳压管，上述两种击穿同时存在。 2.主要参数 (1) 稳定电压Uz 图 1-18 稳压管符号 1-20所示。 第 1章 半导体二极管及其应用

34、17 指稳压管的反向电流为规定的稳定电流时，稳压管两端的稳定电压值。但是，必须说18 模拟电子技术 明一点，由于工艺上的原因，以及稳压管的稳定电压受电流与温度变化的影响，即使同一 型号的稳压管，其稳压值也具有一定的分散性。如， 2CW1型稳压管的稳压范围就在 3.24.5V之间。 (2) 稳定电流IZ 稳压管正常工作时的工作电流，此值一般是指最小稳定电流，如果稳压管的工作电流 小于此值，稳压效果变差。 (3) 最大稳定电流I Zmax 指稳压管可以正常稳压的最大允许工作电流，如果电流超过此值，稳压管不再稳压。 (4) 动态电阻rz 在稳压管的稳压范围内，稳压管两端的电压变化量与电流变化量之比。

35、该阻值一般很 小，大约在十几欧至几十欧之间。 (5) 温度系数a 指稳压管受温度影响的变化系数，其数值，为温度每升高 1C时稳压值的相对变化 量，一般用百分数表示。它也是稳压管的质量指标之一，表示了温度变化对稳定电压的影 响程度。 (6) 最大允许耗散功率 Pz 使稳压管不致热击穿的最大功率损耗。 稳压二极管主要有 2CW系列、2DW系列和IN46、IN47、IN52、IN59系列等，部分 稳压二极管主要参数见附录 B表B-4、表B-5。 【例1-1】在图1-21中，已知稳压二极管的 Uz =6.3V，已知稳压二极管的正向导通 压降 UF=0.7V。当 5 = _20V , R=1k时，求 U

36、。 图 1-21 稳压电路 解 当UI=+20V , VDZ!反向击穿稳压 UZ=6.3V , VDZ2正向导通, UO = +7V ；同理，U|=-20V , UO= -7V。 1.4.2 发光二极管 发光二极管简称 LED，它是一种将电能转换为光能的半导体器件，发光二极管的制 造依据与光电二极管恰恰相反。电子一空穴对的产生是由于热激发施加了能量，而当电子 -空穴对复合时，则可以光的形式放出能量。制造发光二极管的材料不再是硅与锗，通常 采用元素周期表中的川V族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等。这是因为在硅与锗 中，当电子一空穴对复合时，其能量都被晶体的缺陷处所吸UF2= 0.7V ，贝V 第

37、 1章 半导体二极管及其应用 19 收，而不再发光。 砷化镓的光是在红外范围内，人眼不能看见，如果加入一些磷，得到磷砷化镓，即可20 模拟电子技术 发出红色可见光；磷化镓可发绿光。 发光二极管的符号如图 1-22所示。发光二极管常用于作为显示器件，可单个使用, 也可作成7段式或矩阵式，工作时加正向电压，并接入相应的限流电阻，工作电流一般为 几毫安到几十毫安，正向导通时的管压降为 1.82.2V。 图 1-22 发光二极管符号 发光二极管除具有普通二极管的参数外，还具有光参数和极限参数。部分 二极管及BT型发光二极管的主要参数见附录 B表B-6、表B-7，供选用时参考。 143 光敏二极管 光敏

38、二极管又称为光电二极管，它是将光能转换为电能的半导体器件。前面，我们已 经讲过，半导体材料的导电特性之一，是受到光照时，其导电性能增加。二极管的某个区 (如N区)在被光照时，也有同样现象。光照时，某个区可以成对地大量产生电子与空穴， 从而提高了少子的浓度。这些少子在反向偏置下，可以产生漂移电流，而使反向电流增 加，这时外电路中的电流就可以随光照度的强弱而改变。根据这一原理制成了光电二极 管，又称光敏二极管，其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的 窗口。其符号如图1-23所示。 特性曲线如图1-24所示。由其特性曲线可见，其反向电流与照度成正比。 国产的光电二极管中最常用的有

39、 2CU、2DU、HPD型。进口的有夏普 SPD、SB、 CBS型等。部分常用光敏二极管主要参数见附录 B表B-9、表B-10、表B-11。 1.4.4 变容二极管 用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。变容二极管符号如 图1-25所示。通过施加反向电压， 使其PN结的静电容量发生变化，因此，常用于自动 频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也 可采用合金扩散型、外延结合FG型发光 图 1-23 光敏二极管符号 图 1-24 光敏二极管的特性曲线 第 1章 半导体二极管及其应用 21 型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管

40、对于 电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压变化，取代可变电容，用作调 谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料 制作。 _1_ 图 1-25 变容二极管符号 常用的2CC型变容二极管的主要参数见附录 B表B-12。国外用的调谐变容二极管的 型号主要有 MA、ISV型等。 1.4.5 隧道二极管 隧道二极管是因为用含有大量杂质的本征半导体制作 PN结时，会产生极薄的耗尽 层，若加正向偏压，则在达到扩散电位之前，由于隧道效应而发生电流流动。若接近扩散 电位，则为通常的二极管特性，所以如图 1-26所示，在正向电压低的范围，显示出负的 电阻。 隧

41、道二极管的优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般 应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。 146 肖特基二极管 肖特基二极管(Schottky Barrier Diode)是利用金属与半导体接触形成金属 -半导体结制 作二极管。其金属材料采用金、钼、镍、钛等材料，其半导体材料采用硅或砷化镓，多为 N型半导体。这种器件仅用一种载流子(电子)导电二极管中少数载流子的存贮效应甚微， 所以其频率响应仅受 RC时间常数限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件，其工作 VEr蕉工一逗T 22 模拟电子技术 频率可达100GHz。由于肖特基二极管金属-半导体结的耗尽层只在 N型半导体

42、一边，因 此肖特基势垒高度低于 PN结势垒高度，肖特基二极管的正向导通电压较低。 常用的肖特基二极管有 DB0-004、MBR1545、MBR2535型等。 1.4.7 片式二极管 片式二极管的外型如图 1-27所示，外壳一般为黑色，内部为 PN结，根据外型可分 为圆柱形片式二极管（见图1-27（a）和矩形片式二极管（见图1-27（b），它们都没有引线，其 两个端面就为正、负极。其中标有白色竖条的一端为负极，另一端则为正极。 1.4.8 快恢复二极管 1快恢复二极管的特点 图 1-27 矩形片（正极相连）、共阴 （负极相连）、串联等几种类型，内部结构如图 短的引线，长度约为 0.65mm。 1

43、-28所示，这种类型的二极管一般有三条较 IC r-j 电极 （b）矩形 片式二极管的外形 单骨 共阳对泮 第 1章 半导体二极管及其应用 23 快恢复二极管的结构与普通二极管不同，它不是一个单一的 PN结，而是在P型与N 型硅材料中间增加了一个基区 I，构成PIN硅层，这种结构的二极管，由于基区很薄、反24 模拟电子技术 向恢复电荷很少、故使该种二极管的反向恢复时间大为减少，其值一般为几百纳米以下。 同时使它的正向压降较低，而使反向峰值电压得到提高，其值可达几千伏。 快恢复二极管（FRD）的优点是反向恢复时间短、开关特性好、体积小。广泛用于脉宽 调制器、不间断电源、开关电源、变频调速器等电路中，作为高频大电流整流、续流二极 管应用。 快恢复二极管的内部结构和外形如图 1-2