基础元件介绍——半导体二极管

　　晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的P-N结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于P-N结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

　　当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

　　当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。

　　当外加的反向电压高到一定程度时，P-N结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

　　半导体二极管的主要参数

　　二极管伏安特性曲线如图1所示。

图1  二极管伏安特性曲线

　　1.反向饱和漏电流IR

　　指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。在常温下，硅管的IR为纳安（10-9A）级，锗管的IR为微安（10-6A）级。

　　2.额定整流电流IF

　　指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。目前大功率整流二极管的IF值可达1000A。

　　3. 平均整流电流IO

　　在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的值。这是设计时非常重要的值。

　　4. 浪涌电流IFSM

　　允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。

　　5.反向峰值电压VRM

　　即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。因给整流器加的是交流电压，它的值是规定的重要因子。反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的反向电压。目前的VRM值可达几千伏。

　　6. 直流反向电压VR

　　上述反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压时的值。用于直流电路，直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。

　　7.工作频率fM

　　由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千赫。

　　8.反向恢复时间Trr

　　当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，此项指标至为重要。

　　9. 功率P

　　二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。功率P为功率的值。具体讲就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。

　　半导体二极管的命名方法

　　半导体器件的型号由五个部分组成，如图2所示。如2AP9，其中“2”表示电极数为2，“A”表示N型锗材料，“P”表示普通管，“9”表示序号。

图2 半导体二极管的型号组成

　　半导体二极管的分类

　　半导体二极管按其用途可分为：普通二极管和特殊二极管。普通二极管包括整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、快速二极管等；特殊二极管包括变容二极管、发光二极管、隧道二极管、触发二极管和激光二极管等。几种主要二极管的特性如下：

　　1.整流二极管

　　整流二极管结构主要是平面接触型，其特点是允许通过的电流比较大，反向击穿电压比较高，但PN结电容比较大，一般应用于处理频率不高的电路中。例如整流电路、嵌位电路、保护电路等。整流二极管在使用中主要考虑的因素是整流电流和反向工作电压应大于实际工作中的值。

　　2.快速二极管

　　快速二极管的工作原理与普通二极管相同，但由于普通二极管工作在开关状态下的反向恢复时间较长，约为4 ms～5ms，不能适应高频开关电路的要求。快速二极管主要应用于高频整流电路、高频开关电源、高频阻容吸收电路、逆变电路等，其反向恢复时间可达10ns。快速二极管主要包括快恢复二极管和肖特基二极管。

　　3.快恢复二极管（简称FRD）：是一种具有开关特性好、反向恢复时间短等特点的半导体二极管，主要用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，常作高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管在制造上采用掺金、单纯的扩散等工艺，可获得较高的开关速度，同时也能得到较高的耐压。快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高。快恢复二极管主要应用在逆变电源中作整流元件，高频电路中的限幅、嵌位等。

　　4.肖特基（Schottky）二极管：也称肖特基势垒二极管（简称SBD），是由金属与半导体接触形成的势垒层为基础制成的二极管，主要特点是正向导通压降小（约0.45V），反向恢复时间短和开关损耗小，是一种低功耗、超高速半导体器件，应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。肖特基二极管在结构上与PN结二极管的区别很大，它的内部由阳极金属（用钼或铝等材料制成的阻挡层）、二氧化硅（SiO2）电场消除材料、N-外延层（砷材料）、N型硅基片、N+阴极层及阴极金属等构成，在N型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极，N型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小。反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，内阻变大。

　　肖特基二极管耐压较低，反向漏电流较大，依据这个特性，可其应用在高频低压电路中。目前其主要应用还是在功率转换电路中，耐压一般小于150V，平均电流小于100A，反向恢复时间介于10 ns～40ns之间。

　　5.稳压二极管：稳压二极管又称齐纳二极管或反向击穿二极管，是利用PN结反向击穿特性所表现出的稳压性能制成的器件，在电路中起稳定电压作用。当二极管被反向击穿后，在一定反向电流范围内反向电压不会随反向电流变化。稳压二极管通常由硅半导体材料采用合金法或扩散法制成，它既具有普通二极管的单向导电特性，又可工作于反向击穿状态。在反向电压较低时，稳压二极管截止；当反向电压达到一定数值时，反向电流突然增大，稳压二极管进入击穿区，此时即使反向电流在很大范围内变化，稳压二极管两端的反向电压仍基本保持不变。当反向电流增大到一定数值后，稳压二极管则会被彻底击穿而损坏。稳压二极管的特性曲线如图3。

图3 稳压二极管伏安特性曲线

　　根据封装形式、电流容量、内部结构的不同稳压二极管又可分为多种类型。以封装形式划分，有金属外壳封装稳压二极管、玻璃封装（简称玻封）稳压二极管和塑料封装（简称塑封）稳压二极管三种。塑封稳压二极管又有引线型和表面封装两种类型。

　　稳压管的主要参数包括：1. 稳压值VZ，当流过稳压管的电流为某一规定值时稳压管两端的压降；2. 电压温度系数，稳压管的稳压值VZ的温度系数在VZ低于4V时为负温度系数值；当VZ的值大于7V时，其温度系数为正值；当VZ的值在6V左右时，其温度系数近似为零。目前低温度系数的稳压管是由两只稳压管反向串联而成，利用两只稳压管处于正反向工作状态时具有正、负不同的温度系数，可得到很好的温度补偿。3. 动态电阻rZ，表示稳压管稳压性能的优劣，一般工作电流越大，rZ越小；4. 允许功耗PZ，由稳压管允许达到的温升决定，小功率稳压管的PZ值为100 mW～1000mW，大功率的可达50W。5. 稳定电流IZ，测试稳压管参数时所加的电流。实际流过稳压管的电流低于IZ时仍能稳压，但rZ较大。

　　稳压管的主要的用途是稳定电压，在要求不高、电流变化范围不大的情况下，可选与需要的稳压值为接近的稳压管直接同负载并联。在稳压、稳流电源系统中一般作基准电源，也有在集成运放中作为直流电平平移。其存在的缺点是噪声系数较高，稳定性较差。

　　6.半导体发光二极管：发光二极管（LED）是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成。它除了具有一般P-N结的I-N特性，此外，在一定条件下，它还具有发光特性。半导体发光二极管属于电流激发的电致发光器件，该现象发现于1923年，当时并没有引起人们的注意。随着近代技术的发展，对发光器件提出了新的要求，希望发光管简单、可靠、寿命长、价格低、小型化，自60年代开始电致发光的研究非常活跃。

　　LED的结构依应用和材料掺杂情况而异。用于可见光指示和显示方面的LED,要求结构化以获得高效率；用于光通信的LED, 发射波长必须在光纤呈现低损耗的窗口区内，以高辐射度把功率耦合入光纤中，另外还需有较大的调制能力。

　　LED的主要特点是，工作在低压（低于2伏）、小电流（几十毫安至200毫安）下，功耗小、体积小、可直接与固体电路连接使用，且稳定、可靠、寿命长（105～106小时）、价格便宜，此外，LED调制方便，通过调制驱动电流即可调制光输出。

　　LED可用作指示灯、文字-数字显示、光耦合器件、光通信系统光源等。用作指示灯的LED有两种结构：径向引线结构和轴向引线结构。前者尺寸小、价格低，适宜安装在印刷电路板（PCB）上；后者既可安装在仪器面板上，又可直接安装在PCB上。专为PCB设计的的LED指示灯，可与晶体管和集成电路兼容，用来指示电路状态和故障；文字－数字显示 　LED用在袖珍计算器、数字手表和电子仪表的数字显示，多为七段显示。对台式计算器，显示方式则常常是全文字-数字的35点矩阵，LED排成7×5阵列。35点矩阵价格较高、驱动电路复杂；光通信系统中使用的LED要求有良好的方向性，适于光通信应用的两种主要光源是高辐射度LED和半导体注入激光器，广泛用作中、短距离光通信系统的光源。此外，LED还用于信息处理、图像传输、测距和传感等领域；用作光耦合器件GaAs（或GaAsP）的LED与Si－PN结探测器相结合，可以制成许多新型器件，进行光-电和电-光的转换，通常称为光耦合器件。熟知的是光耦合隔离器，它高速、可靠并可提供高至2.5千伏的电隔离。采用光耦合器件的汽车点火装置，省油、易起动、工作平稳。

　　在新兴应用市场的带动下，LED的应用领域已从初简单的电器指示灯、LED显示屏发展到LCD背光源、景观照明、室内装饰灯等其它领域。由于LED具有的长寿命、无污染、低功耗等特性，未来LED还将逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源。室内照明将是LED市场规模和发展潜力的应用。LED显示屏按颜色可分为单色、双色和全彩显示屏，LED全彩显示屏由RGB三基色LED组成，每基色具有256级灰度，可显示16777216种颜色，色彩鲜艳，图像逼真。

　　7.激光二极管：激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料划分，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。常用的激光二极管有两种：PIN光电二极管。它在收到光功率产生光电流时，会带来量子噪声；雪崩光电二极管。它能够提供内部放大，比PIN光电二极管的传输距离远，但量子噪声更大。为了获得良好的信噪比，光检测器件后面须连接低噪声预放大器和主放大器。与激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长等优点，缺点是输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不好，故其在有线电视系统中的应用有很多限制，无法传输多频道和高性能模拟信号。现在，激光二极管已在计算机的光盘驱动器、激光打印机的打印头等小功率光电设备中得到了广泛的应用。

　　半导体激光二极管的常用参数有：波长、阈值电流Ith、工作电流Iop、垂直发散角、水平发散角和监控电流Im等。

　　二极管的检测方法

　　1.    普通二极管的检测

　　二极管的极性通常在管壳上有标记，用万用表电阻档测量其正反向电阻也可判断极性。将万用表置于R×100或R×1k（Ω）挡（R×1挡电流太大，用R×10k（Ω）挡电压太高，都易损坏管子），测试示意图如图4

图4 万用表简易测试二极管示意图，其中（a）电阻小；（b）电阻大

　　2.普通发光二极管的检测

　　（1）万用表检测法。利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ，反向电阻的值为∝。如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，无法看到发光情况。

　　（2）外接电源测量。用3V稳压源或干电池及万用表可以较准确地测量发光二极管的光、电特性。为此可按图5所示连接电路即可。如果测得VF在1.4V～3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF≈3V，且不发光，说明发光管已坏。

图5外接电源测量发光二极管特性

　　3.红外发光二极管的检测

　　由于红外发光二极管发射的光为1μm～3μm的红外光，人眼看不到。通常红外发光二极管发射功率只有几mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.3μV～2.5V。因红外发光二极管发出的为不可见光，上述方法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定发光情况。为此，准备一只光敏器件作为接收器。

　　二极管的选用

　　在电路设计中选用二极管时需考虑如下主要参数：

　　1.正向特性

　　当两端的正向电压很小时，二极管不导通处于“死区”状态；当正向电压超过一定数值后，二极管开始导通，且电流随电压的不断升高而增大。不同材料的二极管，起始电压不同，硅管约为0.5V～0.7V，锗管为0.1V～0.3V。

　　2.反向特性

　　二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增大时，反向电流基本保持不变。不同材料的二极管，反向电流不同，硅管约为1微安到几十微安，锗管则可高达数百微安。反向电流受温度变化的影响较大，锗管的稳定性比硅管略差。

　　3.击穿特性

　　当反向电压增加到一定数值时，反向电流急剧增大，称为反向击穿。反向击穿电压值因器件结构、工艺和材料的差异差别很大，从1伏到几百伏，甚至高达数千伏。

　　4.频率特性

　　由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路，导致二极管失去单向导电性而不能工作。PN结面积越大，结电容也越大，在高频情况下二极管越不能工作。

　　普通二极管主要用于整流、检波、混频、开关、稳压等，在许多电路中起着重要作用。特殊二极管如发光二极管因技术的进步，极大地拓展了其应用领域。从数量上看，凭借国内强大的制造能力，指示灯依旧是LED的应用大户，用量占据LED市场消耗量的半壁江山。但由于指示灯多为普通亮度LED，经过多年的发展产量很大且早已形成买方市场，指示灯领域的LED市场规模增长缓慢。在节能减排的大环境下，各国政府纷纷出台政策推进LED灯进入普通照明灯具市场，室内照明将成为LED发展潜力的应用。此外，显示屏市场、数码设备的背光源市场以及汽车车灯市场等在可以预见的未来将成为LED的主要应用市场。