各种二极管结构性质研究
时间：2022-11-05 来源：博通范文网 本文已影响 人 
摘 要：二极管作为电子线路中的基础元器件，在电路的设计制作中起着不可替代的作用，二极管在整流电路，检波电路，稳压电路，各种调制电路中都得到了广泛的应用，正是由于二极管等元件的发明，才有我们现在丰富多彩的电子信息世界的诞生，所以研究二极管的结构和性质、作用原理及基本电路是很有必要的。
关键词：二极管，PN结，伏安特性，单向导电，击穿
1、二极管的基本组成
在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。这是由于形成了有传导电流能力的载流子。掺入五价元素的半导体中的3多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或P型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。
在一块半导体基片上通过适当的半导体工艺技术可以形成P型半导体和N型半导体的交接面，称为PN结。PN结具有单向导电性：当PN结加正向电压时，P端电位高于N端，PN结变窄，由多子形成的电流可以由P区向N区流通，见图1-1（a），而当PN结加反向电压时，N端电位高于P端，PN结变宽，由少子形成的电流极小，视为截止（不导通），见图1-1（b）。
半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。二极管的种类很多，按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种。
2、二极管的性质
二极管的电流与电压的关系曲线 ，称为二极管的伏安特性。其伏安特性曲线如图所示。二极管的核心是一个PN结，具有单向导电性，由图2.1可见二极管的伏安特性曲线是非线性的，可分为三部分：正向特性、反向特性和反向击穿特性。
图2.1二极管的伏安特性曲线
1、正向特性：当外加正向电压很低时，管子内多数载流子的扩散运动没形成，故正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电流，这个电压值称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V，当正向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，硅管正向压降约为0.6～0.7V，锗管的正向压降约为0.2～0.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，如图2.1所示，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研究表明，温度每升高10℃，正向压降减小2mV。
2、反向特性：二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十μA，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1μA以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表明，温度每升高100℃，反向电流近似增大一倍。
3、反向击穿特性：当二极管的外加反向电压大于一定数值（反向击穿电压）时，反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。
3、二极管的应用
3.1稳压二极管
稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其伏安特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阻配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管就在电路到起到穩压的作用了。而且稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。
3.2整流二极管
整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几千赫以下。整流二极管主要用于各种低频整流电路。图3.1展示了整流二极管在电路中所起的作用。
图3.1整流二极管工作示意图
3.3发光二极管
发光二极管是一种固态发光是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属于低场下的注入式电致发光。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻R可用下式计算：
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫到红不同颜色的光线，光的强弱与电流有关
3.4开关二极管
导体二极管导通时相当于开关闭合（电路接通），截止时相当于开关打开（电路切断），所以二极管可作开关用。由于半导体二极管具有单向导电的特性，在正偏压下PN结导通，在导通状态下的电阻很小，约为几十至几百欧；在反向偏压下，则呈截止状态，其电阻很大，一般硅二极管在10MΩ以上，锗管也有几十千欧至几百千欧。利用这一特性，二极管将在电路中起到控制电流接通或关断的作用，成为一个理想的电子开关。
开关二极管从截止（高阻状态）到导通（低阻状态）的时间叫开通时间；从导通到截止的时间叫反向恢复时间；两个时间之和称为开关时间。一般反向恢复时间大于开通时间，故在开关二极管的使用参数上只给出反向恢复时间。开关二极管的开关速度是相当快的，像硅开关二极管的反向恢复时间只有几纳秒，即使是锗开关二极管，也不过几百纳秒。
开关二极管具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高等特点，广泛应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路中。
4、结语
本文通过对各种功能二极管结构性质的探究比较，总结了各种二极管的公共性质和各自的特性，结构决定性质，正是因为不同的二极管具有不同的结构才决定了各种二极管在电路中起到不同的作用。
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