知识储备
二极管是组成指示灯电路的核心器件，而构成二极管的材料是半导体，所以本节首先认识半导体。
1.半导体的基本知识
1）半导体材料及共价键结构
半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。在自然界中属于半导体的物质很多，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等，其中硅和锗是目前最常用的半导体材料，它们都是4价元素，最外层原子轨道上具有4个电子（价电子），如图1.3所示。半导体与金属和许多绝缘体一样均具有晶体结构，它们的原子形成有序的排列。晶体结构中，由于原子之间距离很近，价电子不仅受到所属原子核的吸引，还受到相邻原子核的吸引，每个价电子为相邻的两个原子核所共有，即相邻的原子被共有的价电子联系在一起，这种结构称为共价键结构，如图1.4所示。
图1.3 硅原子结构模型
图1.4 单晶体的共价键结构
图1.5 本征激发现象
2）本征半导体与载流子
完全纯净且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。晶体原子间的共价键具有很强的结合力，在绝对温度为零度时，价电子不能挣脱共价键的束缚，也就不能自由移动，此时半导体不导电。当温度升高或光照增强时，少数价电子获得能量，从而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，在原来共价键的相应位置留下一个空位，这个空位称为“空穴”。如图1.5所示，其中A处为空穴，B处为自由电子。因为自由电子与空穴是成对出现的，所以称为电子空穴对，此时整个原子对外仍然呈现电中性，这种现象就称为本征激发。
由于共价键A处出现了空穴，在外加电场或其他能源的作用下，邻近的价电子就容易填补到这个空穴中，使该价电子原来所在共价键的位置形成一个空穴，如图1.5中C处所示，这样空穴便从A处移至C处；同样，邻近的价电子（图中D处）又填补到这个新的空穴，空穴又从C处移到D处。因此，空穴可以在半导体中自由移动，实质上是价电子填补空穴的运动（二者运动方向相反）。从自由电子角度来看，其定向移动会形成电流；从空穴角度来看，空穴可看成一种带正电荷的载流子，它所带电量与电子相等，符号相反，其定向移动也会形成电流。
可见，在本征半导体中存在两种载流子，即带负电荷的电子载流子和带正电荷的空穴载流子。
3）杂质半导体
在本征激发产生电子空穴对的同时，自由电子在运动中有可能和空穴相遇，重新被共价键束缚起来，电子空穴对消失，这种现象称为“复合”。激发和复合现象是相互矛盾的，最终处于动态平衡时本征激发的电子空穴对很少，所以导致其导电能力非常弱，接近绝缘体，一般不直接使用本征半导体。由于半导体材料具有两个非常重要的特性：① 热敏和光敏特性（当温度升高或者光照增强时，其导电能力大大增强）；② 掺杂特性（在纯净半导体中掺入少量的杂质后，半导体的导电能力大大增强）。所以，常用的半导体材料实际都是经过掺杂后的杂质半导体。按照掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型和P型两种。
（1）N型半导体
在纯净的硅（或锗）晶体中，掺入少量五价元素，如磷、砷等。由于掺入的元素数量较少，因此整个晶体结构基本上保持不变，只是某些位置上的硅原子被磷原子替代。磷原子5个价电子中的4个与硅原子形成共价键结构，而多余一个价电子处于共价键之外，很容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。这样半导体中自由电子数目明显增加，大大提高半导体的导电性能。同时空穴数量远少于自由电子数量，故自由电子被称为多数载流子（简称多子），空穴被称为少数载流子（简称少子）。这种杂质半导体主要以电子导电为主，称为电子半导体，简称N型半导体，如图1.6（a）所示。
（2）P型半导体
在纯净的硅（或锗）晶体中，掺入少量三价元素，如硼、铝等，硼原子与周围的硅原子形成共价键时，会因缺少一个价电子而在共价键中出现一个空位，这个空位很容易被相邻的价电子填补，而使失去价电子的共价键出现一个空穴，这样在杂质半导体中出现大量空穴。空穴被称为多数载流子，自由电子被称为少数载流子。这种杂质半导体主要靠空穴导电，称为空穴半导体，简称P型半导体，如图1.6（b）所示。
图1.6 N、P型半导体结构示意图
（a）N型半导体；（b）P型半导体
必须指出的是，不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都是一种载流子占多数，但整个晶体中正负电荷数量相等，呈现电中性。
4）PN结的形成
若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成为N型半导体。由于两种半导体多子不同，其交界面两侧的电子和空穴存在浓度差，会出现多数载流子的扩散运动。N区的自由电子往P区扩散，而P区的空穴往N区扩散，如图1.7所示。扩散的结果是在N区留下带正电的离子（图中用⊕表示），而P区留下带负电的离子（图中用⊖表示），在交界面两侧的区域内自由电子和空穴成对消失而复合，形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结，也称为耗尽层或者势垒层。
图1.7 PN结的形成
在空间电荷区内，靠N区一侧的是失去了电子的正离子，带正电，靠P区一侧的是得到了多余电子的负离子，带负电，因此产生一个由N区指向P区的内电场E，如图1.7所示。该电场有两方面的作用：一方面阻挡多数载流子的扩散运动；另一方面使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子自由电子向N区漂移。少数载流子在内电场作用下有规则的运动叫做漂移运动。
在PN结的形成过程中，刚开始时以扩散运动为主，随着空间电荷区的加宽和内电场的加强，多数载流子运动逐渐减弱，漂移运动逐渐加强，使空间电荷区变窄，而空间电荷区的变窄，又会对扩散运动产生抑制作用。最终，扩散运动与漂移运动会达到动态平衡。此时，空间电荷区的宽度基本稳定下来，扩散电流等于漂移电流，通过PN结的电流为零，PN结处于动态的稳定状态。
2.半导体二极管
1）半导体二极管的结构与分类
PN结是半导体二极管的核心组成部分。二极管是在P区和N区两侧各接上电极引线，再加以外壳封装而成，如图1.8（a）所示。P区所接引线称为二极管的阳极，N区所接引线称为二极管的阴极，其简化符号如图1.8（b）所示，箭头方向表示正向电流的方向，即从阳极指向阴极。
图1.8 二极管结构和符号
（a）结构示意图；（b）符号
二极管的分类方法很多，按照封装形式可以分为塑料封装、金属封装、陶瓷或玻璃封装等，图1.9所示为常见的几种二极管封装形式。按半导体材料的不同可分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管。按用途的区别可分为普通二极管和特殊二极管。普通二极管按用途不同又可分为整流二极管、开关二极管、检波二极管等；特殊二极管包括稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等。
根据PN结结面积大小，二极管可分为点接触型和面接触型，如图1.10所示。点接触型二极管PN结面积小，高频特性好，但不能通过大电流，主要用于高频检波和小电流整流；面接触型二极管PN结面积大，高频特性差，但允许通过较大的电流，主要用于低频整流电路。
图1.9 二极管常见封装形式
图1.10 点接触型和面接触型二极管
（a）点接触型；（b）面接触型
2）半导体二极管的特性
（1）二极管的单向导电性。
P区接电源正极，N区接电源负极，这种接法叫做PN结外加正向电压，又叫正向偏置，简称正偏，如图1.11所示。这时外加电压在耗尽层中建立的外电场与内电场方向相反，削弱了内电场作用，使空间电荷区变窄，使多数载流子的扩散运动大于少数载流子的漂移运动。在电源的作用下，多数载流子就能越过空间电荷区形成较大的扩散电流。电流从电源的正极流入P区，经过PN结由N区流回电源的负极，称为正向电流。由于多数载流子浓度较大，当外加电压不太高时就可以形成很大的正向电流，所以PN结的正向电阻较小。
图1-11 外加正向电压时的PN结(www.xing528.com)
N区接电源正极，P区接电源负极，这种接法叫做PN结外加反向电压，又叫反向偏置，简称反偏，如图1.12所示。这时外加电压在耗尽层中建立的外电场与内电场方向一致，增强了内电场，使空间电荷区加宽，多数载流子的扩散运动难以进行，但有利于少数载流子的漂移运动。在外电场的作用下，N区的少数载流子空穴越过PN结进入P区，P区的少数载流子自由电子越过PN结进入N区，形成了漂移电流，这个电流由N区流向P区，故称为反向电流。由于少数载流子浓度很小，即使它们全部漂移，其反向电流还是很小的，PN结基本上可认为不导电，处于截止状态。此时的电阻称为反向电阻，它的数值很大。
图1.12 外加反向电压时的PN结
简而言之，PN结加正向电压（正偏）时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压（反偏）时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止，这就是PN结的单向导电性，也即为二极管的单向导电性。利用二极管的单向导电性可以判定二极管的好坏，二极管正向电阻与反向电阻相差越大，二极管特性越好，阻值相同或者相近则表明二极管已损坏。
图1.13 硅管和锗管的伏安特性曲线
（2）二极管的伏安特性。
二极管的伏安特性是指二极管两端所加电压大小与流经二极管电流大小之间的关系曲线。图1.13所示为通过测试得到的二极管的伏安特性曲线。注意，为了使曲线清晰，横轴所代表的电压在U＞0和U＜0两部分采用不同比例，纵轴所代表的电流在I＞0和I＜0两部分采用不同的单位。二极管伏安特性曲线分为正向特性曲线和反向特性曲线，且正反向导电性能差异很大。
① 正向特性。正向特性曲线起始部分（图1.13中OA段、OA′段）变化很平缓，说明正向电压较小时，正向电流几乎为零，此时二极管处于不导通状态，这一部分称为正向特性的“死区”，相应地A（A′）点的电压称为死区电压（阈值电压），其大小与材料和温度有关。图1.13中实线和虚线分别为硅材料和锗材料的伏安特性曲线，从图中可以看出，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。当正向电压大于阈值电压后，电路的电流逐渐增大，二极管进入导通状态。当输入电压大于某值以后，电流急剧增大，二极管完全导通，这个电压值称为导通压降，硅管的导通压降为0.6～0.8V，锗管的导通压降为0.2～0.3V。
② 反向特性。从图1.13所示的反向伏安特性曲线可以看出，当反向电压小于击穿电压UBR时，电路中仅有很小的μA级反向饱和电流IR，二极管处于反向截止状态，呈现很大的电阻，且此时的反向饱和电流几乎不随反向电压的增大而变化，仅与二极管的材料和温度有关。当所加反向电压进一步增大后，二极管的反向电流急剧增大，进入反向击穿区。普通二极管进入反向击穿区后就会损坏，其性能是不可逆的，所以在正常使用时要避免二极管工作到此区域。
造成二极管反向击穿的原因有两个：一个是齐纳击穿；另一个是雪崩击穿。当二极管工作在反向击穿区时，这两种击穿几乎都是同时存在的，只不过对于不同的二极管，起主要作用的击穿原因不同而已。
③ 硅管和锗管特性的比较。比较图1.13中硅管和锗管的伏安特性曲线，正向特性曲线中，锗管的死区电压和导通压降比硅管小些，更容易克服死区进入导通状态；反向特性曲线中，锗管的反向饱和电流比硅管大很多（小功率硅管的反向电流一般小于0.1μA，锗管通常为几十μA）。总结二极管的正反向特性，硅管材料更接近理想的开关特性，常用的二极管都采用硅材料构成。
（3）温度对二极管特性的影响。
由于二极管主要由PN结构成，而半导体具有热敏性，二极管的特性对温度很敏感。温度升高时，扩散运动加强，多数载流子运动加剧，正向电流增大，二极管正向特性曲线向左移动，正向压降减小；如果外加的是反向电压，温度升高时，本征激发的少子数目增多，运动加剧，则反向漂移电流增大，反向特性曲线向下移动。温度对二极管伏安特性曲线的影响如图1.14所示。
图1.14 温度对二极管伏安特性曲线的影响
自测习题
自测习题答案
1.判断
（1）半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。（ ）
（2）N型半导体的多子是空穴，少子是电子。（ ）
（3）半导体对外呈现电中性。（ ）
（4）半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动最终会达到静止状态。（ ）
（5）二极管的P极接外加电源的正极，N极接外加电源的负极，二极管一定导通。（ ）
2.填空
（1）半导体导电时有两种载流子参与导电，分别是____________和____________。半导体导电能力受环境_______的影响。半导体具有____________、_________________和_________________特性。
（2）PN结外加正向电压，PN结_________；PN结外加反向电压，PN结_________。PN结具有______导电性。二极管内部由__________组成；二极管具有_______导电性。
（3）关于二极管的导通压降，硅管____________，锗管_____________。
（4）关于二极管的死区电压，硅管__________，锗管__________。
（5）二极管的伏安特性曲线的正向部分在环境温度升高的时候将____________。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
