第三章 半导体二极管

3.1 基本结构

3.1.1本征半导体(纯净半导体)

在电子器件中，用的最多的半导体材料是硅和锗，它们都是4阶元素，最外层电子轨道上有4个电子，称为价电子。将硅和锗提纯并形成单晶体后，所有原子便基本上整齐排列，每一个原子与相邻的4个原子结合，每个原子的一个价电子和一个相邻原子的价电子组成一个电子对。本征半导体就是完全纯净、具有晶体结构的半导体。

每个原子外层都具有8个电子而处于稳定状态，但是不像其他绝缘体那样电子束缚的很紧，在获得一定能量后：有的价电子能摆脱原子核的束缚成为自由电子，这种现象称为本征激发。温度越高，自由电子越多。

半导体出现两种电流：

• 一部分是自由电子做定向运动所形成的电子电流。
• 一部分是仍被原子核束缚的价电子递补空穴形成的空穴电流。

半导体中断自由电子和空穴都称为载流子。

本征半导体中由于本征激发产生的自由电子和空穴总是成对存在的，温度越高载流子数目越多，导电性能越好。

3.1.2 P/N型半导体与PN结

• N型半导体：在本征半导体的基础上掺入微量磷(P,15)或其他五价元素。在N型半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。
• P型半导体：在本征半导体的基础上掺入微量硼(P,5)或其他三价元素。在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。

在一块半导体晶片上，两边分别掺入三价元素和五价元素形成P型和N型半导体。空穴从P区扩散到N区，使得P区留下负电三价杂质离子，形成负空间电荷区。自由电子从N区扩散到P区，使得N去留下正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。由P型半导体和N型半导体交界面的两侧形成的一个空间电荷区就称为PN结。

最初的状态为P半导体都是成带负电的三价杂质离子和空穴。N半导体都是带正电的五价杂质离子和自由电子。是平衡的，但是因为PN结，交界处的空穴和自由电子相互扩散低效了一部分。只剩下带正电的电子和带负电的电子。所以交界处即空间电荷区形成了从N向P的内电场。内电场的形成一方面阻碍了自由电子和空穴的扩散。随着时间推移，自由电子和空穴的扩散增加了内电场，内电场反过来阻碍了自由电子和空穴的扩散，最后逐步趋于某个稳定。

即整个半导体被分成三个部分：

• P区：由负电荷和空穴组成
• 空间电荷区：靠近P区的由负电荷组成，靠近N区的由正电荷组成
• N区：由正电荷和自由电子组成

3.1.3 PN结的单向导电性

• 如果PN结加上正向电压，即外电源的正端接P区，负端接N区，外电场与内电场的方向相反，因此扩散和漂移运动的平衡被破坏，在外电场的作用，P区的空穴往空间电荷区移动抵消一部分的负电荷，N区的自由电子往空间电荷区移动抵消一部分的正电荷，于是整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散作用增强，形成较大的扩散正向电流。
• 如果PN结加上反向电压，即外电源的正端接N区，负端接P区，外电场与内电场的方向一致，外电场驱使空间电荷区的
  自由电子和空穴移走，使得空间电荷增加，空间电荷区变宽，内电场增强，呈现出PN结的反向电阻很高。

3.1.4 半导体二极管

将PN结两端的半导体接上电极引线，再加上管壳封装，就成为半导体二极管。从P型半导体引出的电极是二极管的正极，从N型半导体引出的电极是二极管的负极

3.2 二极管的性质与分析

3.2.1 反向击穿

• 雪崩击穿：击穿之后就报废了
• 齐纳击穿：击穿之后仍然可以恢复正常。

3.2.2 电路分析

确定二极管的工作状态可以采用"设截至，算电压，定状态"的方法，先假定二极管截至，按二极管截至时的电路计算出二极管的端电压，再根据这个端电压确定二极管的工作状态，若端电压小于二极管阈值电压就截至，否则导通

3.3 二极管的分类

3.3.1 普通二极管

• 正向导通
• 反向截至

3.3.2 稳压二极管

又叫齐纳二极管，其正向电压的特性与普通二极管一致，但是反向击穿(齐纳击穿)后，稳压二极管会维持稳定的电压值。

3.3.3 TVS瞬时抑制二极管

和稳压二极管具有类似稳压的作用，当遇到瞬时电压尖峰时，TVS二极管会瞬间导通短路来保护电路。

稳压二极管也有稳压保护电路的作用，但是延迟过高，TVS二极管能及时响应，因此用来作为静电等产生的瞬时巨额电压的保护器件。而稳压二极管常用于电压变化不大的维持电压

TVS二极管分为单极性和双极性，分别用于直流单向交流电和双向交流电的瞬时保护。

3.3.4 肖特基二极管

和普通二极管的特性基本一致。

但是由于肖特基二极管不是由PN型半导体组成，而是由金属和N型半导体组成，空间电荷区更窄，响应更快，压降更小，且反向电流的恢复时间更短。

缺点是反向电压耐受值较低。

3.3.5 发光二极管

正向导通时会发光，与普通二极管不同的是，发光二极管的正向压降更高，且因为不同颜色的波长不同，压降不同。波长越短，压降越大。

3.3.6 光电二极管

能将光能转换为电能

3.4 二极管的用途

• 防反接：利用二极管的正向导通反向截至的特性，再电源两端加上一个二极管来防止反接

• 钳位
  如下图将引脚的输出电压钳位在-0.7V~5.7V之间
  

  • 当引脚电压大于5.7V时，上方二极管导通，将其电压限制于5.7V
  • 当引脚电压小于-0.7V时，下方二极管导通，将其电压限制于-0.7V

• 限幅
  

  将两端电压限制在-1.4V~1.4V之间

• 检波
  

  现实中的广播信号都有声音信号和载波信号调制而成，现在要把该信号转换回声音信号，就需要一个二极管进行检波
  

  然后再加一个电容即可恢复原来的原始信号。

• 整流

  • 全波整流
    

    用途：再加一个电容，可以实现交流电转直流电

  • 半波整流
    只用一个二极管即可实现
    用途：半波整流只用掉了一半的能量，因此用于吹风机等不同挡位的切换

• 续流
  将二极管与电感并联。作用：导通时不影响正常电路的情况下，防止断开时电感的电流对电路造成损坏

• 倍压
  

• 逻辑门

  • 与门
    

  • 或门