半导体与半导体二极管

二、PN结的单向导电性

　　PN结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。

1、外加正向电压

　　当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用VF表示。

　　在VF作用下，通过PN结的电流称为正向电流IF。外加正向电压的电路如图所示。

2、外加反向电压

　　当PN结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN结）变宽, 同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用VR表示。在VR作用下，通过PN结的电流称为反向电流IR或称为反向饱和电流IS。如下图所示。

3、PN结的伏安特性

根据理论分析，PN结的伏安特性可以表达为：　

　　式中iD为通过PN结的电流，vD为PN结两端的外加电压；VT为温度的电压当量=kT/q=T/11600=0.026V，其中k为波尔慈曼常数（1.38×10-23J/K），T为绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10-19C）；e为自然对数的底；IS为反向饱和电流。　

第四节　半导体二极管

一、半导体二极管的结构

　　半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。

　　点接触型二极管是由一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成，如图 2.7所示。由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小， 所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。 如2APl是点接触型锗二极管， 最大整流电流为16mA， 最高工作频率为15OMHz。

　　面接触型或称面结型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的，其结构如图2.7 所示。由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。如2CPl为面接触型硅二极管，最大整流电流为40OmA， 最高工作频率只有3kHz。

　　图2.7中的硅工艺平面型二极管结构图， 是集成电路中常见的一种形式。代表二极管的符号也在图2.7中示出。

　　部分二极管实物如图2.8所示。　　　　

二、极管的伏安特性　

　　实际的二极管的V-I特性如图2.9所示。由图可以看出，二极管的V-I特性和PN结的V-I特性(图2.6)基本上是相同的。下面对二极管V-I特性分三部分加以说明:

1、正向特性：二极管外加正向偏置电压时的V-I特性

　　对应于图2.9（b）的第①段为正向特性，此时加于二极管的正向电压只有零点几伏，但相对来说流过管子的电流却很大，因此管子呈现的正向电阻很小。但是，在正向特性的起始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电流几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。硅管的门坎电压Vth(又称死区电压)约为0·5V，锗管的Vth约为0·lV，当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增长。

2、反向特性：二极管外加反向偏置电压时的V-I特性

　　P型半导体中的少数载流子（电子）和N型半导体中的少数载流子（空穴），在反向电压作用下很容易通过PN结，形成反向饱和电流。但由于少数载流子的数目很少， 所以反向电流是很小的， 如图2.9（b）的第②段所示，一般硅管的反向电流比锗管小得多，其数量级为：硅管nA级，锗管大mA级。

　　温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流将随之急剧增加。

3、反向击穿特性：二极管击穿时的V-I特性

　　当增加反向电压时， 因在一定温度条件下， 少数载流子数目有限，故起始一段反向电流没有多大变化，当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，这叫做二极管的反向击穿， 对应于图2.9的第③段，其原因与PN结击穿相同。

三、二极管的主要参数

　　1、最大整流电流 IF：是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如2APl最大整流电流为16mA。

　　2、反向击穿电压 VBR：指管子反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。例如2APl最高反向工作电压规定为2OV， 而反向击穿电压实际上大于40V。

　　3、反向电流 IR：指管子末击穿时的反向电流， 其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。

　　4、极间电容 CJ：二极管的极间电容包括势垒电容和扩散电容，在高频运用时必须考虑结电容的影响。二极管不同的工作状态，其极间电容产生的影响效果也不同。

　　二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子参数。使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则将容易损坏管子。