半导体二极管

半导体二极管是指利用半导体特性的两端电子器件。最常见的半导体二极管是PN结型二极管和金属半导体接触二极管。它们的共同特点是伏安特性的不对称性，即电流沿其一个方向呈现良好的导电性，而在相反方向呈现高阻特性。可用作为整流、检波、稳压、恒流、变容、开关、发光及光电转换等。利用高掺杂PN结中载流子的隧道效应可制成超高频放大或超高速开关的隧道二极管。

• 将PN结等装起来，从P区引出的电极为阳极，从N区引出的电极为阴极.

1.2.1半导体的常见结构

• 略

1.2.2二极管的伏安特性

二极管和PN结伏安特性曲线的区别

• 与PN结一样，二极管具有单向导电性.但是，由于二极管内存在半导体电阻和引线电阻，当外加正向电压，在相同的电流强度时，二极管的端电压大于PN结上的压降.也就是说：在外加正向电压相同的情况下，二极管的电流要小于PN结的电流.另外，由于二极管表面存在漏电流的情况，使得外加反向电压时的反向电流增大.
• 在近似分析时，二极管的电流仍然可以采用式$(1.1.2)、(1.1.3)$来描述二极管的伏安特性，即：
  $$\begin{aligned} i = I_S(e^{\frac{qu}{kT}} - 1)
  \ = I_S(e^{\frac{u}{U_T}} - 1)
  \end{aligned}$$
• 实际测量时，只有在正向电压足够的大时，正向电流才会从零随端电压按指数规律增大.使二极管开始导通的电压称为开启电压$U_{on}$.
  

温度对二极管伏安特性的影响

• 环境温度升高时，二极管的正向伏安特性曲线将会左移，反向伏安特性曲线将下移.

二极管的主要参数

• 为描述二极管的性能，常引用以下几个主要参数：
  • 最大整流电流$I_F$
    $I_F$是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关.
  • 最大反向工作电压$U_R$
    $U_R$是二极管工作时允许外加的最大反向电压，通常$U_R$为击穿电压$U_{BR}$的一半.
  • 反向电流$I_R$
    $I_R$是二极管未击穿时的反向电流，$I_R$越小，二极管的单向导电性能越好，$I_R$对温度非常敏感.
  • 最高工作频率$f_M$
    $f_M$ 是二极管工作时的上限截止频率，前面我们曾说在高频率下需要考虑PN结的结电容$C_j$，也就是说，超过$f_M$ 时二极管将不能很好地体现单向导电性.

1.2.4二极管的等效电路

由伏安特性折线化得到的等效电路

• 图（a）所示的折线化伏安特性表明二极管导通时正向电压降为零，截 止时反向电流为零，称为理想二极管，用空心的二极管符号表示.
• 图（b）所示表明二极管正向导通时压降为一个常量$U_{on}$，截止时反向电流为零.因此等效电路是理想二极管串联电压源.
• 图（c）所示表明当二极管正向电压U大于$U_{on}$后其电流I与U成线性关系，直线斜率为$\frac{1}{r_D}$.二极管截止时反向电流为零.因此等效电路是理想二极管串联电压源和电阻.
  

二极管的微变等效电路

• 将二极管等效为一个动态小电阻，利用二极管的电流方程可以得到：
  $$\begin{aligned} \frac{1}{r_D} = \frac{\mathrm{di}}{\mathrm{du}} = \frac{\mathrm{d[I_S(e^{\frac{u}{U_T}} - 1)]}}{du} = \frac{I_S}{U_T} \cdot e^{\frac{u}{U_T}} ≈\frac{I_D}{U_T} \end{aligned}$$
  即：
  $$\begin{aligned} r_d ≈ \frac{U_T}{I_D}\end
  {aligned} \tag{1.2.1}$$
  式中的$I_D$是二极管伏安特性曲线上的一点对应的电流.

1.2.5稳压二极管

• 稳压二极管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎保持不变，表现出稳压特性.

稳压管的伏安特性

• 稳压二极管的正向曲线为指数曲线，当稳压管被反向击穿时，击穿区的曲线很陡，几乎平行于纵轴，表现出稳压特性.
  

稳压管的主要参数

• 稳定电压$U_Z$
  $U_Z$是在规定电流下稳压管的反向击穿电压
• 稳定电流$I_Z$
  $I_Z$是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于这个值时稳压效果变坏，也是保障稳压特性的最小电流
• 额定功耗$P_{ZM}$
  $P_{ZM}$等于稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积.稳压管的功耗超过这个数值时，稳压管会损坏.
• 动态电阻$r_z$
  $r_z$是稳压管工作在稳压区时，端电压的变化量与其电流变化量之比.
• 温度系数$\alpha$
  $\alpha$表示温度没变化1℃时稳压值的变化量.即$\alpha = \Delta U_Z/\Delta T$.
  • 稳定电压$U_Z$小于4V的管子具有负的温度系数，属于齐纳击穿，温度升高时稳定电压值下降
  • 稳定电压$U_Z$大于7V的管子具有正的温度系数，属于雪崩击穿，温度升高时稳定电压值上升
  • 稳定电压$U_Z$在4~7V之间的管子温度系数非常小，近似为零.
• 稳压管的电路中需要串联一个限流电阻来保障稳压管正常工作.