第1篇 模擬電子技術

第1章 常用半導體器件

1.1 半導體二極管（Semiconductor Diode）

1.1.1 半導體二極管的結構和符號

半導體二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管。世界上第一個晶體二極管誕生于1946年，而1947年第一個晶體三極管制成后，使半導體技術得到了極為迅速的發展。在這個基礎上進一步發展起來的集成電路技術更把半導體器件所具有的微型化、低耗能、高可靠性等一系列優點發揮得淋漓盡致，使半導體器件在全世界各個領域都獲得了廣泛的應用。

半導體二極管是用半導體材料制成的。半導體是導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，如硅、鍺。純凈的半導體又稱本征半導體，其原子都按一定規律整齊排列，呈晶體結構。半導體材料受熱或受光照后，其導電性能會變強，這就是半導體的熱敏特性和光敏特性。另外，在本征半導體中摻入微量的雜質后，導電性能會顯著提高，這就是半導體的摻雜特性。在本征半導體中摻入不同種類的雜質元素，就能得到導電性能不同的半導體材料。如果在硅晶體中摻入微量的三價硼元素，就會得到以空穴載流子為主的空穴型半導體，空穴載流子是帶正電荷的，空穴型半導體又稱為P型半導體。如果在硅晶體中摻入微量的五價磷元素，就會得到以電子載流子為主的電子型半導體，電子載流子是帶負電荷的，電子型半導體又稱為N型半導體。如果通過一定的生產工藝把P型半導體和N型半導體結合在一起，就會在它們的交界處形成一個具有特殊性能的薄層，稱為PN結。PN結是構成各種半導體器件的核心部分。給PN結裝上相應的電極引出端及管殼，就制成了半導體二極管。半導體二極管的圖形符號、外形及結構如圖1-1所示。

1.1.2 PN結和它的單向導電性

PN結具有單向導電性，這是半導體二極管的一個重要特性，但該特性只有在外加電壓時才顯示出來。

演示實驗：

觀察半導體二極管的單向導電性。

如圖1-2（a）所示，二極管的正極接電源正端，二極管的負極接電源負端，這種接法稱為二極管外加正偏電壓（正向偏置），此時燈亮，表示有較大的電流流過二極管，表明二極管導通。二極管的正極接電源負端，二極管的負極接電源正端，這種接法稱二極管外加反偏電壓（反向偏置），如圖1-2（b）所示，此時燈不亮，表示沒有電流流過二極管，表明二極管截止。

由上述演示實驗可知：半導體二極管外加正偏電壓時導通，外加反偏電壓時截止。這就是半導體二極管的單向導電性。

1.1.3 半導體二極管的伏安特性曲線

演示實驗：

觀察二極管的伏安特性曲線。

應用晶體管特性圖示儀（如JT-1，QT-2等）來觀察及測量半導體二極管的伏安特性曲線。

圖1-3所示為小功率硅二極管的伏安特性曲線。從二極管的伏安特性曲線可知，當二極管兩端加較小的正向電壓時，二極管還不能導通，這一段（OA 段）稱為死區電壓（硅管死區電壓小于0.5V，鍺管死區電壓小于0.1V）。超過死區電壓后，二極管中電流開始增大，繼續增加電壓直至只要電壓略有增加，電流便急劇增大（B點），這時二極管導通（硅管導通電壓約為0.7V，鍺管約為0.3V），此時二極管在電路中相當于一個開關的接通狀態。以上為二極管伏安特性曲線中正向特性的特點。

當二極管兩端加反向電壓（小于某一數值）時，二極管并不是理想的截止狀態，它會有很小的反向電流，而且反向電流在一定范圍內基本不隨反向電壓變化而變化（OC段），稱為反向飽和電流（一般硅管約為幾微安到幾十微安，鍺管約為幾十微安到幾百微安），此時二極管在電路中相當于一個開關的斷開狀態。由于半導體具有熱敏特性，因此反向飽和電流將隨溫度升高而增大。通常溫度每升高10℃，其反向飽和電流約增大一倍。當反向電壓增大至某一數值后，反向電流開始急劇增大（D點），二極管將被擊穿，有可能把普通的二極管燒壞。以上為二極管伏安特性曲線中的反向特性的特點。

1.1.4 半導體二極管的主要參數（Parameters）

1. 最大整流電流IF

最大整流電流是指二極管在室溫下長期運行允許通過的最大正向平均電流。超過這一數值二極管將因過熱而燒壞。工作電流較大的大功率管子還必須按規定安裝散熱裝置。

2. 最高反向工作電壓VRM

最高反壓工作電壓是指允許加在二極管上的反向電壓的最大值。使用時應保證反向電壓在任何情況下都不要超過這一數值，以避免二極管被反向擊穿。

此外，還有正向壓降、反向電流、工作頻率等參數，選用二極管時也應視具體情況而加以考慮。

1.1.5 特殊二極管的作用

二極管的種類很多，利用PN結的單向導電性特點工作的有整流二極管、檢波二極管、開關二極管等。此外，人們還根據PN結的其他特點制造出了一些具有特殊用途的二極管，如穩壓二極管、發光二極管、光電二極管及變容二極管等。以下簡單介紹常見的幾種二極管。

1. 穩壓二極管（其圖形符號為）

根據前面的介紹我們知道，當二極管上外加的反向電壓增大到一定數值以后，二極管的反向電流會劇增，這就是反向擊穿現象。對整流二極管來說，反向擊穿就意味著管子失去單向導電性而損壞。但是如果能利用二極管反向擊穿時通過管子的電流在很大范圍內變化，而管子兩端的電壓卻幾乎不變的特點，就可以實現穩壓。穩壓二極管就是通過對半導體進行特殊工藝處理后，使它能夠有一個陡峭的反向擊穿特性。穩壓管實質上是工作在反向擊穿狀態下的二極管，未反向擊穿時，和一般的整流二極管沒有太大區別，因為它工作在反向擊穿狀態，所以反向電流較大，在實際應用中需要在外電路串聯一個限流電阻，對反向電流加以限制，使穩壓管能安全工作。

常用穩壓管有2CW和2DW系列。主要參數有：穩壓電壓VZ、穩定電流IZ、最大穩定電流IZM、動態電阻rZ和最大耗散功率PZM。

2. 發光二極管（其圖形符號為）（英文縮寫LED）

發光二極管的PN結是工作在正向偏置狀態的。發光二極管是用特殊的半導體材料，如砷化鎵等制成的，砷化鎵半導體輻射紅光；磷化鎵半導體輻射綠光或黃光等。發光二極管的PN結正向特性比較特殊，相當一部分工作電流約為10～30mA時，正向電壓降約為1.5～3V，這點在使用中要注意，不要與一般二極管的正向導通電壓相混淆。發光二極管常用做電子設備中的顯示器。

發光二極管具有體積小、響應快、光度強、壽命長、污染低、適用范圍廣等特點。隨著人類環保意識的增強，有著“綠色照明光源”之稱的白光LED將逐步取代現有的燈泡照明產品。白光是多種單色光合成的復合光。目前國內市場的白光LED大多用藍光LED芯片和熒光粉封裝而成。供電電源在6～24V，特別適用于公共場所。

3. 光電二極管（圖開符號為）

光電二極管PN結工作在反向偏置狀態，它的反向工作電流與光照強度成正比。這是利用半導體光敏特性制造的光接收器件，當光照強度增加時，PN結兩側的少數載流子濃度增大，當二極管反偏時，反向電流也增大。即光電二極管反向電流隨光照增加而增大。

光電二極管常用于光檢測。若制成大面積光電二極管，即可作為光電池。

4. 變容二極管（圖形符號為）

變容二極管PN結工作在反向偏置狀態，當其外加反向電壓增加時，結電容（主要是勢壘電容）隨反向電壓增加而減少，利用結電容隨外加電壓改變而改變的特性制造出變容二極管，它在高頻電子技術中應用較多。

自我檢查題

1. 半導體二極管具有特性，即外加_____電壓，二極管導通，有_____的電流通過二極管；外加_____電壓，二極管截止，只有_____的反向電流通過二極管。

A. 導電；

B. 單向導電；

C. 正向偏置；

D. 反向偏置；

E. 較大；

F. 很小

2. PN結具有單向導電性，其導電方向是從_____。

A. P區到N區；

B. N區到P區

3. 通常小功率硅二極管的正向導通壓降是_____V，小功率鍺二極管的正向導通壓降是_____V。

A. 0.1V；

B. 0.3V；

C. 0.5V；

D. 0.7V

4. 電路如圖1-4所示，試確定二極管是正向偏置還是反向偏置。設二極管正向偏置時的正向壓降為0.7V，分別估算圖1-4（a）和圖1-4（b）中的VA，VB，VC，VD，VAB，VCD。

5. 一個硅二極管的反向飽和電流在25℃時是10μA，那么在55℃時它的反向飽和電流約為多少？