【任务描述】

（1）理解半导体的基本知识。

（2）理解二极管的单向导电性。

（3）熟悉二极管的实际应用。

（4）了解其他类型的二极管。

【知识学习】

一、本征半导体

物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于原子结构。导体一般为低价元素，绝缘体一般为高价元素和高分子物质，半导体一般为4价元素的物质，其导电性能介于导体和绝缘体之间，所以称为半导体。

本征半导体：纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗，它们都是4价元素，在原子结构中最外层轨道上有4个价电子。在晶体中，每个原子都和周围的4个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来。共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子，同时必然在共价键中留下空位，称为空穴，这种由于热运动而激发自由电荷的过程称为本征激发。空穴带正电，电子带负电。如图1.1.1所示。

图1.1.1　硅和锗原子结构图

半导体的导电性：在外电场作用下，半导体中的自由电子产生定向移动，形成电子电流；另一方面，自由电子也按一定方向依次填补空穴，即空穴产生了定向移动，形成所谓的空穴电流。由此可见，半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征激发中自由电子与空穴是同时成对产生的，因此，它们的浓度是相等的。价电子在热运动中获得能量摆脱共价键的束缚，产生电子-空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量，与空穴相遇，使电子-空穴对消失，这种现象称为复合。在一定的温度下，载流子的产生与复合过程是相对平衡的，即载流的浓度是一定的。本征半导体中的载流子浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。所以半导体载流子的浓度对温度十分敏感。半导体的导电性能与载流子的浓度有关，但因本征载流子在常温下的浓度很低，所以它们的导电能力很差。

二、杂质半导体

在本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低，所以它们的导电能力很差。当我们人为地、有控制地掺入少量的特定杂质时，其导电性将产生质的变化。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。

1.N型半导体

在本征半导体中掺入微量5价元素，如磷、锑、砷等，原来晶格中的某些硅（锗）原子会被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有5个价电子，因此它与周围4个硅（锗）原子组成共价键时，还多余1个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电的杂质离子，杂质离子不能参与导电。由于杂质原子可以提供自由电子，故称为施主原子（杂质），这种杂质半导体中电子浓度比同一温度下的本征半导体中的电子浓度大好多倍，这就大大加强了半导体的导电能力，我们把这种掺杂的半导体称为N型半导体。在N型半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，主要靠电子导电，所以称自由电子为多数载流子（多子）；空穴为少数载流子（少子）。

2.P型半导体

在本征半导体中，掺入微量3价元素，如硼、铝、镓、铟等，则原来晶格中的某些硅（锗）原子被杂质代替。杂质原子的3个价电子与周围的硅原子形成共价键时，会出现空穴，在室温下，这些空穴能吸引邻近的电子来填充，使杂质原子变成带负电荷的离子。这种杂质因能够吸收电子被称为受主原子（杂质），我们称这种掺杂的半导体为P型半导体。P型半导体中空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。

3.杂质半导体的导电性能

在杂质半导体中，多子是由杂质原子提供的，而本征激发产生的少子浓度则因与多子复合机会增多而大为减少。杂质半导体中多子越多，则少子越少。微量的掺杂可以使半导体的导电能力大大加强。

另外，杂质半导体中少子虽然浓度很低，但它却对温度非常敏感，会影响半导体器件的性能。至于多子，因其浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以受温度影响不大。

三、PN结

在一块本征半导体上，用工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界处形成了PN结。PN结是构成半导体器件的基础。

1.PN结的形成

PN结的形成如图1.1.2所示

图1.1.2　PN结的形成

（1）扩散运动：多子由于浓度不同产生的运动，称为扩散运动。随着扩散的进行就在P、N的交界面处产生了空间电荷区，称耗尽层或者阻挡层，同时也会产生电场（自建电场，也称内电场）。

（2）漂移运动：在自建电场的作用下，少子在电场力作用下的运动称为漂移运动。

（3）动态平衡：当扩散运动和漂移运动的速度相同时，就达到了动态平衡，此时空间电荷区不再扩大，宽度稳定下来，就形成了PN结。

2.PN结的单向导电特性

在PN结外加不同方向的电压，就可以破坏原来的平衡，从而呈现出单向导电特性。

（1）PN结外加正向电压。

若将电源的正极接P区，负极接N区，则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建电场方向相反，削弱了自建电场，使阻挡层变窄，此时扩散作用大于漂移作用，在电源的作用下，多数载流子向对方区域扩散形成电流，其方向由电源正极通过P区、N区到达电源负极。

由于正向电流很大，此时，PN结处于导通状态，它所呈现出的电阻为正向电阻，其阻值很小，正向电压愈大，正向电流就愈大。其电压和电流呈指数关系。

（2）PN结外加反向电压。

若将电源的正极接N区，负极接P区，则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建电场方向相同，增强了自建电场，使阻挡层变宽。此时漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场作用下作漂移运动，由于电流方向与加正向电压时相反，故称为反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的，故反向电流很小，而且当外加电压超过零点几伏时，少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流，此时反向电压再增加，载流子数也不会增加，因此反向电流也不会增加，故称为反向饱和电流，即ID=-IS

由于反向电流很小，此时，PN结处于截止状态，呈现出的电阻称为反向电阻，其阻值很大，高达几百千欧以上。

可见，PN结加正向电压，处于导通状态；加反向电压，处于截止状态，即PN结具有单向导电特性。

PN结的电压与电流的关系为ID——通过PN结的电流。

U——PN结两端的电压。

UT=——称为温度电压当量，K为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；q为电子电量，在室温下即T=300 K时，UT=26 mV；

Is——反向饱和电流。

此方程称为PN结的伏安特性方程，用曲线表示此方程，称为伏安特性曲线。

3.PN结的击穿

PN结处于反向偏置时，在一定电压范围内，流过PN结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值（UB）后，反向电流急剧增加，这种现象称为反向击穿，UB称为击穿电压。PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。

（1）雪崩击穿。

当反向电压足够高时，阻挡层内电场很强，少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用，获得很大的能量，在运动中与其他原子发生碰撞时，有可能将价电子打出共价键，形成新的电子-空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一起，在强电场作用下碰撞其他原子打出更多的电子-空穴对，如此链锁反应，使反向电流迅速增大，这种击穿称为雪崩击穿。

（2）齐纳击穿。

所谓齐纳击穿，是指当PN结两边掺入高浓度杂质时，其阻挡层宽度很小，即使外加不太高的反向电压（一般为几伏），在PN结内部就可形成很强的电场（可达到2×106 V/cm），将共价键的价电子直接拉出来，产生电-空穴对，使反向电流急剧增加，出现击穿（齐纳击穿）现象。

对于硅材料的PN结，击穿电压UB大于7 V时通常是雪崩击穿，UB小于4 V时通常是齐纳击穿；UB在4～7 V时两种击穿均有。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，因此在一般使用时应避免出现击穿现象。

需要指出的是，发生击穿并不意味着PN结被损坏。当PN结反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值（一般通过串接电阻R实现），不使其过大，以免因过热而烧坏PN结，当反向电压降低时，PN结的性能就可以恢复正常。但是发生雪崩击穿后，一般PN结就会损坏。稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现的，当流过PN结的电流发生变化时，结电压UB保持基本不变。

4.PN结的电容效应

（1）势垒电容CT。

势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的，均具有一定的电荷量，所以在PN结储存了一定的电荷。当外加电压使阻挡层变宽时，电荷量增加，反之，外加电压使阻挡层变窄时，电荷量减少。在阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变，形成了电容效应，称为势垒电容，用CT表示。势垒电容CT不是一个常数，随电压变化而变化。一般CT为几皮法～200 pF，我们可以利用此电容效应做成变容二极管，作为压控可变电容器。

（2）扩散电容CD。

多子在扩散过程中越过PN结成为另一方的少子，这种少子的积累也会形成电容效应。外加电压改变时，引起扩散区内积累的电荷量变化就形成了电容效应，其所对应的电容称为扩散电容，用CD表示。扩散电容正比于正向电流。

PN结的电容包括两部分：

Cj=CT+CD

一般来说，PN结正偏时，扩散电容起主要作用，Cj≈CD；当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，Cj≈CT。

5.半导体二极管

半导体二极管由PN结加上引线和管壳构成。

（1）二极管的种类。

按材料分：硅二极管和锗二极管

按结构分：点接触二极管［如图1.1.3（a）所示］和面接触二极管［如图1.1.3（b）所示］。

点接触二极管的特点是结面积小，因而结电容小，适用于在高频小电流下工作，主要应用于小电流的整流和检波、混频等。

面接触二极管的特点是结面积大，因而能通过较大的电流，但结电容也大，只能工作在较低频率下，可用于整流。

图1.1.3　点接触二极管和面接触二极管

二极管的符号如图1.1.4所示。

图1.1.4　二极管的符号

（2）二极管的特性。

二极管本质是就是一个PN结，但是对于真实的二极管器件，考虑到引线电阻和半导体的体电阻及表面漏电等因素，二极管的特性与PN结略有差别。二极管的伏安特性如图1.1.5所示。

图1.1.5　二极管伏安特性

①正向特性。

正向电压低于某一数值Uth时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值Uth后，才有明显的正向电流。图1.1.5中Uth称为死区电压，硅管约为0.5 V，锗管约为0.1 V，导通后电压用Uon表示。在室温下，硅管的Uon为0.6～0.8V，锗管的Uon为0.1～0.3 V。通常认为，当正向电压U＜Uon时，二极管截止；U＞Uon时，二极管导通。

②反向特性。

二极管加反向电压，反向电流数值很小，且基本不变，称为反向饱和电流。硅管的反向饱和电流为纳安（nA）数量级，锗管为微安数量级。当反电压加到一定值UBR时，反向电流急剧增加，产生击穿。UBR称为反向击穿电压，普通二极管的反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。

③温度特性。

二极管的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近，在同一电流下，温度每升高1℃，正向电压减小2～2.5 mV；温度每升高10℃，反向电流增大约1倍。

（3）二极管的主要参数。

描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。各种器件的参数可从手册查得。二极管的主要参数有：

①最大整流电流IF。

它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于IF，如超过IF，二极管将因过热而烧毁。此值取决于PN结的面积、材料和散热情况。

②最大反向工作电压UR。

这是二极管允许的最大反向工作电压，当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿。为了留有余地，通常取击穿电压的一半作为UR。

③反向电流IR。

反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好，由于反向电流是由少数载流子形成的，所以IR受温度的影响很大。

④最高工作频率fM。

fM的值主要取决于PN结的结电容，结电容越大，则二极管允许的最高频率越低。

⑤二极管的直流电阻RD。

加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比，称为二极管的直流电阻RD，即

且由图1.1.5可看出，RD随工作电流加大而减小，故RD呈非线性。用万用表测量出的电阻值为RD，用不同指测量出的RD值显然是不同的。二极管加正、反向电压所呈现的电流也不同。加正向电压时，RD为几十至几百欧，加反向电压时RD为几百千欧至几兆欧。一般正反向电阻值相差越大，二极管的性能越好。

⑥二极管的交流电阻rd。(www.daowen.com)

在二极管工作点Q附近，电压的微变值ΔU与相应的微变电流值ΔI之比，称为该点的交流电阻rd，即

从其几何意义上讲，当ΔU→0时，

rd就是工作点Q处的切线斜率倒数（斜率为d I/d U即曲线在Q点的导数）。显然，rd也是非线的，即工作电流越大，rd越小。

6.稳压二极管

（1）稳压二极管的原理。

稳压二极管的工作原理是利用PN结的反向击穿特性，稳压二极管除具有普通二极管的特性外，还具有反向击穿后在一定范围内不会损坏而能正常工作的特性。由二极管的特性曲线可知，如果稳压二极管工作在反向击穿区，则当反向电流在较大范围内变化ΔI时，管子两端电压相应的变化ΔU却很小，这说明它具有很好的稳压特性。电路中的符号为图1.1.6中的VDZ所示。

（2）用稳压二极管组成稳压电路。

稳压管组成的简单的稳压电路如图1.1.6所示。

注意以下几个问题：

①稳压二极管正常工作是在反向击穿状态下，外加电源正极接稳压二极管的N区（负极），电源负极接稳压二极管的P区（正极）。

图1.1.6　稳压管电路

②稳压管应与负载并联。

③必须限制流过稳压管的电流I z，即电路中必须串联限流电阻R，使Iz不超过规定值。

④还应保证流过稳压管的电流Iz大于某一数值（稳定电流），以确保稳压管有良好的稳压特性。

⑤使用稳压管时限流电阻不可少，它确保③、④项内容。选好限流电阻是保证稳压电路正常工作的前题。

（3）稳压二极管的主要参数。

①稳定电压Uz。

稳定电压是稳压管工作在反向击穿时的稳定工作电压。由于稳定电压随工作电流的不同而略有变化，因而测试Uz时应使稳压管的电流为规定值。

稳定电压Uz是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管，其稳定电压的值不同。同一型号的稳压管，由于制造工艺的分散性，各个稳压管的Uz值也有小的差别。

例如：2DW7C型号的二极管，其Uz=6.1～6.5 V指的是同一型号的稳压管，有的稳压管的Uz可能是6.1 V，有的可能是6.5 V。

②稳定电流Iz。

稳定电流是指使稳压管正常工作时的最小电流，低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是，工作电流较大时，稳压性能较好，但电流要受二极管的功耗限制，即Izmax=P z/U z。工作时I z应小于Izmax。

③电压温度系数α。

电压温度系数α指稳压管温度变化1℃时，所引起的稳定电压变化的百分比。

一般情况下，稳定电压大于7 V的稳压管，α为正值。而稳定电压小于4 V的稳压管，α为负值。稳定电压在4～7 V的稳压管，其α较小，即稳定电压值受温度影响较小，性能比较稳定。

④动态电阻rz。

rz=ΔU/ΔI

rz越小，则稳压性能越好。

⑤额定功耗Pz。

Pz=UI

7.二极管的应用

二极管的应用基础，就是二极管的单向导电特性，因此，在应用电路中，关键是判断二极管的导通或截止。二极管（硅管）导通时一般用电压源UD=0.7 V（如是锗管用0.3 V）代替，或近似用短路线代替。截止时，一般将二极管断开，即认为二极管反向电阻为无穷大。二极管可用于整流电路、限幅电路等，二极管还可组成门电路，可实现一定的逻辑运算。

8.其他二极管

（1）发光二极管。

发光二极管简称LED（lightemitting diode），它是一种将电能转换为光能的半导体器件，由化合物半导体制成。它也是由一个PN结组成，当加正向电压时，P区和N区的多数载流子扩散至对方与少子复合，复合过程中产生光辐射而使二极管发光。发光二极管电路符号如图1.1.7（a）所示。

关于发光二极管作以下说明：

①发光二极管常用作显示器件，如指示灯等。

②发光二极管伏安特性与普通二极管特性相似，发光工作时加正向电压。

③要加限流电阻，工作电流一般为几毫安至几十毫安，典型电流为10 mA左右，高亮度的50 mA即可。电流越大，发光越强。

④发光二极管导通时管压降为1.7 V～3.5 V。

（2）光电二极管。

光电二极管是将光能转换为电能的半导体器件。光电二极管被光照射时，产生大量的电子-空穴，从而提高了少子的浓度，在反向偏置下，产生漂移电流，从而使反向电流增加。这时外电路的电流随光照的强弱而改变。需要说明一点的是，光电二极管应用时要反向偏置。光电二极管电路符号如图1.1.7（b）所示。

（3）光电耦合器件。

将光电二极管和发光二极管组合起来可构成二极管光电耦合器。它以光为媒介传递电信号。光电耦合器件如图1.1.7（c）所示。

（4）变容二极管。

利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化特性可制成变容二极管。变容二极管主要用于高频电子线路，如电子调谐器等。应用是它也是加反向电压。

图1.1.7　特殊二极管

【任务实施】

实训1.1.1　常用二极管的性能测试及应用

一、实训目的

（1）会使用指针式万用表测定并判断二极管和三极管的管脚与管子的好坏。

（2）学会测定常用二极管（整流二极管、稳压管和发光二极管）的工作特性。

二、实训电路和工作原理

1.二极管好坏的判断

指针式万用表的（一）端（黑棒）为电流流出端，在测量电阻时，黑棒极性为正，红棒极性为负（见图1.1.8）。

图1.1.8

用万用表测二极管时，通常将电阻挡拨到R×100或R×1 k挡。一般二极管的正向电阻［如图1.1.8（a）所示］为几百欧，反向电阻为几百千欧。若二极管正反向电阻都很小，表明二极管内部已短路。若正反向电阻都很大，则表明二极管内部已断路。

2.二极管性能的测定

图1.1.9为二极管性能测试电路。图中R为限流电阻，R=200Ω。

图1.1.9　二极管性能测试电路

（1）二极管的伏安特性如图1.1.10所示。这里主要测定它的正向伏安特性iD=f（uD）。对反向伏安特性，通常反向转折电压（UBR）很高（如1N4007为1000 V），因而此处仅测量反向漏电流IR（又称反向饱和电流）。

（2）对稳压管（单向击穿二极管），则主要测定它的转折特性，理解它的工作区域。稳压管的伏安特性如图1.1.11所示。图中IZ为工作电流，UZ为稳压值。△UZ为工作区域。

（3）对发光二极管，则主要看限流电阻的选择。

图1.1.10　二极管伏安特性曲线

图1.1.11　稳压二极管伏安特性曲线

三、实训设备

（1）装置中的直流可调稳压电源、电压表、毫安表、微安表（或万用表的μA挡）。

（2）单元：R01、VD1、VS1（IN4733A）、BX07、RP3、RP5。

四、实训内容与实训步骤

（1）由VD1单元选整流二极管1N4007，按图1.1.8所示测定二极管正反向电阻阻值，记下Rd正=__________Ω，Rd反=__________kΩ，并由此判断此二极管是否正常。

（2）按图1.1.9接线，测定二极管正向特性。

将电源电压调至10 V左右，然用电位器RP调节输出电压ud。将测量结果填入表1.1.1中。

表1.1.1　二极管正向特性

（3）在上述实训中，将二极管反接，以微安表代替毫安表，将电压ud调至10 V，测定二极管的反向饱合电流IR =__________μA。

（4）在图1.1.9中，以稳压管取代二极管，测定其稳压特性（伏安特性）。在单元VS1中选稳压值UZ=5 V的稳压管，将电源电压调至10 V，调节电位器RP，逐步加大电压，测定并记录下稳压管工作电流IZ。将测量结果填入表1.1.2中。

表1.1.2　稳压管伏安特性

（5）在图1.1.9中，将BX07中的发光二极管（LED）取代二极管，将电位器RP（4.7 kΩ）与限流电阻（200Ω）串联，用电压表测量电源电压，由于发光二极管工作电流通常为3～5 mA，发光二极管与二极管一样，也有电压死区（0.5 V左右），所以施加的电压过低，发光二极管不会亮，过高又会烧坏发光二极管，因此施加电压通常在3.0 V以上，并串接一阻值适当的电阻，使发光二极管电流为3～5 mA（正常工作）。下面请根据不同电源电压，选择适当的限流电阻R′（R′为200Ω电阻与电位器电阻阻值之和）R′应选规范值。将测量数据填入表1.1.3中。

表1.1.3　发光二极管限流电阻的选取（ILED=5 mA）

五、实训注意事项

（1）二极管及发光二极管正向电阻较小，要注意加限流电阻，以免电流过大，烧坏二极管。

（2）电源电压调节电位器在开始时要调至电压最低点，以免出现过高电压。

六、实训报告要求

（1）说明判断实训二极管完好的依据。

（2）根据表1.1.1中的数据，画出二极管的正向特性曲线。

（3）根据表1.1.2中的数据，画出稳压管的伏安特性。

（4）根据表1.1.3中的数据，说明在不同电压下，发光二极管限流电阻的选取值。