1.2 半导体二极管

1.二极管的结构和种类

在PN结的两端，引出电极，再用外壳封装起来，就构成了半导体二极管。由P区引出的电极称为阳极（正极）a，由N区引出的电极称为阴极（负极）k，二极管符号和常用的几种二极管外形如图1-6（a）和（b）所示；二极管的图形符号和文字符号如图1-6所示，文字符号用VD表示。

二极管的种类很多，按制造材料分，常用的有锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管；按用途分，有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管和普通二极管；按结构、工艺分，常见的有点接触型、面接触型等。

点接触型二极管的结构如图1-6（e）所示，它的PN结面积很小，因此结电容小，适用于高频小电流的场合，主要应用于高频的检波、变频电路中，如2AP1型锗管，它的最大整流电流是16m A，最高工作频率是150MHz。

面接触性二极管的结构如图1-6（d）所示，它的PN结面积大，允许通过较大的电流（几百毫安以上），其结电容也大，只能工作在较低频率（几十千赫以下），主要应用于整流电路，如2CZ52A型硅管，它的最大整流电流为100m A，最高工作频率只有3k Hz。

图1-6（c）所示为硅工艺平面二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。

由于电子产品向微型和轻量方向发展，片状的贴片元器件发展极为迅速，此类器件为无引线或短引线微型元器件，可直接印制焊接在电路板表面，在微型收录放机、移动通信设备、高频电子仪器设备、微型计算机等领域得到广泛应用。

2.半导体二极管的伏安特性

（1）PN结的伏安特性方程

理论分析推导，二极管的伏安特性曲线可用PN结的伏安特性方程来描述，PN结流过的电流i D和两端的电压之间的关系可用方程表示为

式中：IS为PN结的反向饱和电流；UT=k T/q称为温度电压当量；k为玻耳兹曼常数（1.380× 10−23 J/K）；T为热力学温度；q为电子的电量（1.602×10−19C）。在常温（T=300K）时，可求得UT≈26 m V。和的参考方向如图1-7（a）所示，故正向偏置时u D和i D为正值，反向偏置时u D和i D为负值。

由式（1-1）可见，当u D=0时，i D=0；当正向偏置时，只要u D＞100m V，则i D随u D按指数规律变化；当反偏（u D＜0）时，只要|u D|大于UT几倍，则i D≈−IS，与外加电压u D无关，且i D的实际方向与参考方向相反。

（2）二极管的伏安特性曲线

图1-7（b）所示为实测的硅二极管的伏安特性，它与由式（1-1）描绘的伏安特性是基本相同的。下面对特性曲线分为3部分来说明。

① 正向特性。图1-7（b）中曲线①段为正向特性，它是二极管外加正向电压（正偏）时，二极管两端电压u D和通过二极管电流i D的关系曲线。当正向电压比较小时，正向电流几乎为零，二极管也没有导通，这个区域称为“死区”。当正向电压超过某一数值后，二极管导通，正向电流随外加电压增加而迅速增大，此电压值称为导通电压，又称门槛电压或阈值电压，用Uth或Uon表示。在室温下，硅管的Uon约为0.5V，锗管的约为0.1V。当正向电压较大时，正向特性几乎与纵轴平行。所以当二极管导通时候，二极管两端电压基本不变，这个电压称管压降UD，硅管为0.6～0.8V（通常取0.7V），锗管为0.2～0.4V（通常取0.3V），砷化镓管为1.1～1.3V（通常取1.2V），如图1-8所示。

② 反向特性。图1-7（b）中曲线②段为反向特性，它是二极管外加反向电压（反偏）时的两端电压u D和流过的电流i D关系曲线。在反向电压小于反向击穿电压UBR的范围内，由少子漂移运动形成的反向饱和电流很小，由于少子数量少，在很长一个区域，反向电流大小与反向电压的大小基本无关。在室温下，锗管的反向饱和电流比硅管的大得多，硅管又比砷化镓管的反向饱和电流大，反向饱和电流越小，二极管的单向导电性越好，如图1-8所示可见各管的反向特性。

根据二极管的伏安特性关系可以看出：二极管是非线性器件，不满足欧姆定律；二极管具有单向导电性。

③反向击穿特性。图1-7（b）中曲线③段为反向击穿特性。当反向电压增大到某一数值UBR时，反向电流急剧增大，这种现象称为二极管的反向击穿，UBR称为反向击穿电压。注意伏安特性方程不能再描述反向击穿特性。PN结击穿后电流很大，电压又很高，因此功率很大，使PN结发热超过它的耗散功率而产生热击穿。这样PN结的电流和温升之间出现恶性循环，结温升高使反向电流增大，电流增大结温升高，这种循环很快使PN结烧毁。由图1-8所示各管可见，锗管由于反向饱和电流大，对温度敏感，使用场合较少；硅管具有低成本、较小的反向饱和电流、较好的温度特性和击穿电压水平，广泛应用于电子设备中；砷化镓具有高击穿电压、良好的温度特性和低反向饱和电路，已广泛应用于光电领域、高速特性场合和超大规模集成电路中。随着砷化镓制造成本的降低，应用场合会出现大的改变。

PN结产生电击穿的原因是在强电场作用下，大大增加了自由电子和空穴的数目，引起反向电流急剧增大。这种现象是由雪崩击穿和齐纳击穿两种原因产生的。

●雪崩击穿产生的机理是当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。空间电荷区的电子和空穴在电场作用下获得的能量增强，有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而挣脱原子核的束缚，经过碰撞，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对，此现象称碰撞电离。新产生的载流子在电场作用下获得能量后，又碰撞其他的外层电子，再产生自由电子-空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到一定数值时，载流子的倍增效应就像发生雪崩一样，载流子增加很多很快，使反向电流增大，PN结发生的这种击穿，称为雪崩击穿。

●齐纳击穿又称隧道击穿，是在外加很高反向电压时，PN结空间电荷区中存在一个强电场，把共价键中电子分离出来形成自由电子-空穴对，使载流子突然增大，形成大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度很高，只有在杂质浓度特别高的PN结中才会出现齐纳击穿，这是因为杂质浓度高，空间电荷区内部电荷密度也大，从而空间电荷区窄，电场强度高。一般整流二极管多是雪崩击穿造成的，而稳压二极管因掺杂浓度高发生齐纳击穿。

如果反向电压和反向电流的乘积超过PN结允许的耗散功率，PN结就会热击穿而烧毁。如果没有超过允许的耗散功率时，不会发生热击穿， PN结就不会损坏。因此在不超过PN结允许的耗散功率时击穿是可逆的。

（3）温度对二极管特性的影响

二极管的特性对温度的变化很敏感。当温度升高时，正向压降减小，表现为正向特性曲线向左移。而反向电流增大，表现为反向特性曲线向下移，如图1-9所示。例如，当i D一定时，温度每升高1℃，正向压降约减少2.5m V；而温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。为了保证二极管正常工作，为此，二极管工作时不能超过它的最高工作温度，一般硅管所允许的最高结温为200℃，锗管为100℃，砷化镓为200℃。

3.半导体二极管的电路模型

在工程计算中，通常根据二极管在电路中的实际工作状态，在误差允许的条件下，把非线性的二极管电路转化为线性电路模型来求解。本节介绍二极管几种常用且较简单的电路模型。

（1）理想模型

图1-10（a）中与坐标轴重合的折线近似代替二极管的伏安特性，很明显误差很大。理想模型在电路中相当于一个理想开关。只要二极管正向偏置时，它就导通，其管压降为零，相当于开关闭合；当反向偏置时，二极管截止，其电阻为无穷大，相当于开关断开。这样的二极管称为理想二极管。

（2）恒压降模型

不能忽略二极管的正向压降时，可采用恒压降模型来近似代替实际二极管，该模型由理想二极管与管压降UD构成，如图1-10（b）所示，UD不随电流而变。对于硅二极管的UD通常取0.7V，锗二极管取为0.3V，砷化镓取为1.2V。不过，只有当流过二极管的电流ID大于等于1m A时才可利用。显然，这种模型较理想模型更接近于实际二极管。

（3）折线模型

为了更好地描述二极管的伏安特性，在恒压降模型的基础上进行修正，产生了折线模型。它认为二极管的管压降不是恒定的，而是随二极管的电流增加而增加的。

二极管的门槛电压Uon约为0.5V（硅管）。至于直流电阻RD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1m A时，管压降为0.7V，于是RD的值可计算如下：

由于二极管特性的分散性，Uon和RD的值是变化的。很明显这种模型更接近于二极管的伏安特性曲线，如图1-10（c）所示。

（4）二极管的小信号模型

当二极管两端的电压和通过它的电流固定（直流量，反应该点在图中以Q表示）时，在Q点附近做微小变化，当只研究这个变化电压量和变化电流之间的关系时，引入交流动态电阻，小信号模型如图1-11所示，则可把U−I特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的交流动态电阻rd。

式（1-2）中ID为Q点的电流。

*4.势垒电容和扩散电容

每个电子或电气系统对频率都是敏感的，即电子设备的特性随频率改变。即便是电阻也会对频率敏感，在低频和中频区时，其阻值不变，但是在高频情况下，寄生电容和电感效应将会起作用，影响元件的整体阻抗。

对二极管来说也不例外，寄生电容的影响最大，在低频和中频区，对于小的电容来说，其电抗等级非常高，可认为是无穷大，由开路表示，可忽略。在高频区时，其电抗等级降低引起低的阻抗，从而短路。这种短路经过二极管，已影响二极管对电路的响应。

在二极管的PN结中，需考虑两种电容效应。两种电容效应在正偏和反偏都存在，只是两者作用大小不同。在反偏时主要考虑传导或耗尽层的势垒电容CT，在正偏时主要考虑扩散电容CD。

我们知道电容的基本公式C=εA/d，其中ε是间隔距离d，面积为A的两极板间的电介质的介电常数。在反偏时，存在一个空间电荷区（耗尽层），表现为对等电荷之间的绝缘体，由于耗尽区的宽度d随反偏电压的增加而增加，从而使势垒电容降低。在多数电子系统中，电容随外加的反偏电压而确定。

正偏时，上述势垒电容效应被扩散电容效应所掩盖。扩散电容效应直接依赖于电荷从外部注入耗尽区域的比例。电流的增加量将导致一定比例的扩散电容的增加量，即电流的增加将导致相关电阻等级的降低及时间常数不太大的改变。这在二极管的高速应用场合非常重要。