1.4 半导体二极管

半导体二极管是电子电路中应用最广泛的半导体器件之一。它是一种用导电能力介于导体和绝缘体之间的物质制成的，故而称其为半导体。半导体二极管由一个PN结构成，具有单向导电性。

半导体二极管也称晶体二极管（以下简称二极管），它是利用P型和N型半导体结合面（PN结）的独特导电性能制造成的电子器件。半导体材料为元素周期表第四族的硅（Si）或锗（Ge）。

1. 半导体二极管的种类

半导体二极管可以分成以下各种类型。

（1） 按材料分类

半导体二极管按其所用的半导体材料分类，可分为锗（Ge）二极管、硅（Si）二极管、磷化镓（GaP）二极管和砷化镓（GaAs）二极管等。

（2） 按制造工艺分类

半导体二极管按制造工艺分类，可分为面接触型二极管和点接触型二极管。

（3） 按用途不同分类

半导体二极管按用途不同分类，可分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管、开关二极管、快恢复二极管、激光二极管、双向击穿二极管、磁敏二极管、肖特基二极管、温度效应二极管、隧道二极管、双向触发二极管、恒流二极管、体效应二极管等。

（4） 按结构类型分类

半导体二极管按结构类型来分类，可分为半导体结型二极管，金属半导体接触二极管等。

（5） 按封装形式分类

半导体二极管按封装形式分类，可分为常规封装二极管，特殊封装二极管等。

（6） 按工作频率分类

半导体二极管按其工作频率分类，可分为高频二极管和低频二极管。

2. 半导体二极管的结构特点

半导体二极管是由一个PN结加上接触电极、引线和管壳构成的。P型半导体的引线称为阳极或正（+）极，N型半导体的引线称为阴极或负（-）极，如图1-17（a）所示。电路中的图形符号如图1-17（b）所示。

（1） 点接触型半导体二极管

点接触型二极管一般为锗管，如图1-18（a）所示。点接触型二极管的PN结结面积很小（结电容小，P结具有电容效应），因此不能通过较大电流。但其高频性能好，故一般适用于高频信号的检波和小电流的整流，也可用做脉冲数字电路的开关元件。

（2） 面接触型半导体二极管

面接触型二极管一般为硅管，如图1-18（b）所示。它的PN结结面积大（结电容大），故可通过较大的电流（可达上千安培），但其工作频率较低，故一般用于低频电路和大电流的整流电路中，也可以用在脉冲数字电路中做开关管使用。

3. 半导体二极管的电路图形符号

半导体二极管在电路中用字母“VD”（旧标准中为“D”）表示，图1-19所示是各种二极管的电路图形符号。常见晶体二极管的外形示意图如图1-20所示。

4. 普通整流二极管基本知识

整流二极管应用非常广泛，其作用是将交流电源整流成脉动直流电，它是利用二极管的单向导电特性来进行工作的。

（1） 普通整流二极管的结构

由于整流二极管正向工作电流大，故工艺上多采用面接触结构。又由于这种结构的二极管结电容较大，所以整流二极管的工作频率通常都小于3 kHz。

（2） 普通整流二极管封装方式

整流二极管主要有全密封金属结构封装和塑料封装两种形式。

[1] 对于额定正向工作电流IF在1 A以上的整流二极管，通常多采用金属壳封装方式，以利于散热。

[2] 对于额定正向工作电流IF在1 A以下的整流二极管，通常多采用全塑料封装方式。不过随着新工艺、新材料的不断出现，现在也有不少较大功率的整流二极管采用了塑料封装方式，在使用中应注意区别。

5. 整流桥堆基本知识

由于整流电路通常采用桥式整流方式，即用4只整流二极管构成整流桥的方式，桥式整流原电路如图1-21（a）所示，一些生产厂家将4只整流二极管封装在一起，通常称这种器件为整流桥堆或叫整流全桥（简称全桥），桥式整流简化电路如图1-21（b）所示。

6. 稳压二极管基本知识

稳压二极管又称为齐纳二极管，也是电子、电气电路中应用较广泛的元器件之一。稳压二极管是利用PN结反向击穿时，电压基本上不随电流变化而变化的特点来达到稳压目的的。因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。

（1） 稳压二极管结构

稳压二极管通常由一个特殊的面结合型晶体二极管为主构成，内部也是一个PN结，其正向特性与普通二极管一样。但其半导体材料掺杂多，使其击穿电压值较低；又由于其几何尺寸大，散热条件较好，故使其在反向特性上具有特殊的性能。

（2） 稳压二极管伏安特性

稳压二极管是利用其反向击穿的伏安特性来实现稳压的，稳压二极管的伏安特性曲线和电路符号如图1-22所示，图1-22（a）所示为伏安特性曲线，图1-22（b）所示为电路符号。

从图1-22（a）所示可看出，稳压二极管的伏安特性与一般整流二极管特性相似，只是具有更陡峭的击穿电压特性，而且击穿特性的重复性很好，在工作电流不超过最大允许值情况下，稳压管可以稳定地工作在反向击穿状态。当稳压管工作在特性曲线的A与B段区域内，电流在很大范围内变动时，电压都基本不变。稳压管在击穿点的电压也就是工作时的稳定电压UZ。

由于硅稳压二极管的热稳定性比锗管好，因此，一般都把硅半导体材料采用合金法或扩散法制作成稳压二极管。如2CW、2DW系列均属硅稳压二极管。

（3） 稳压二极管封装方式

稳压二极管根据其封装形式可分为金属外壳封装稳压二极管、玻璃封装（简称玻封）稳压二极管和塑料封装（简称塑封）稳压二极管。塑封稳压二极管又可分成有引线型和表面封装两种类型。常用稳压二极管的外形如图1-23所示。

（4） 稳压二极管的类型

[1] 稳压二极管根据其电流容量可分为大功率稳压二极管（2 A以上）和小功率稳压二极管（1.5 A以下）。

[2] 稳压二极管根据其内部结构可分为单稳压二极管和双稳压二极管（三电极稳压二极管）。图1-24所示是双稳压二极管的外形和电路图形符号。

7. 发光二极管基本知识

发光二极管的英文简称为LED，是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有一个PN结，当在其两端加上适当的电压时，就会发光。

发光二极管的种类很多，根据其发光颜色来分类，主要有发红色光的磷化镓发光二极管，镓铝化砷发光二极管，磷砷化镓发光二极管；发黄色光的和绿色光的磷化镓发光二极管，发紫色光的发光二极管，还有发蓝色光和发白色光的发光二极管。其中白色发光二极管是新型产品，主要应用于手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等电子电路中。

（1） 发光二极管的结构

发光二极管大多采用以下两种结构：

[1] 一种将管芯烧结在管座上，然后用透明环氧树脂封装。

[2] 另一种是用带玻璃透镜的金属帽进行封装。

另外，还有一些大功率的管子，采用特殊的封装，如HG52型大功率砷化镓红外发光二极管，是采用球形管芯烧结在大型金属底座上的封装形式。

发光二极管的发光颜色主要由制作管子的材料及掺入杂质的种类决定，与其封装结构无关。

有些公司将两个不同颜色的发光二极管封装在一起，使其成为双色二极管（又称为变色发光二极管）。这种发光二极管通常有三个引出脚，其中一个是公共端。它可以发出三种颜色的光（其中一种是两种颜色的混合色），故通常作为不同工作状态的指示器件。

（2） 发光二极管的外形及电路图形符号

图1-25所示是几种常见的发光二极管外形及电路图形符号。

（3） 发光二极管的单向导电特性

发光二极管与普通二极管一样，也具有单向导电的特性。当给发光二极管加上正向电压时，能使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，相互注入的电子和空穴就会相遇而产生复合，电子和空穴在复合时释放能量。

对于发光二极管来说，复合时释放出的能量大部分以发光的形式出现。所谓单向导电，是指只允许电流从正极流向负极，只有正向接入时才导通发光，反向接入时则截止，不发光，其单向导电特性示意图如图1-26所示。

（4） 发光二极管的工作电流和电压

发光二极管的工作电流通常为2～25 mA。发光二极管的管压降要比普通二极管大，故电源电压必须大于管压降，发光管才能工作。这也是用万用表测试发光二极管必须使用“R×10 k”挡的原因。因为发光二极管的管压降通常≥2 V，而万用表“R×1 k”挡及其以下各挡的表内电池仅为1.5 V，低于管压降，所以无论正、反向接入发光二极管均不可能导通，亦就无法检测。而“R×10 k”挡的表内接9 V或15 V高压电池，高于管压降，所以可以用来检测发光二极管。

发光二极管的工作电压（即管子的正向压降）随着材料的不同而不一样，通常：

[1] 普通绿色、黄色、红色、橙色发光二极管的工作电压为2 V左右。

[2] 白色发光二极管的工作电压通常高于2.4 V。

[3] 蓝色发光二极管的工作电压通常高于3.3 V。

发光二极管的工作电流不能超过额定值太高，否则，有烧毁的危险。故通常在发光二极管回路中串联一个电阻器作为限流电阻器R，R的电阻值可由以下公式计算得到

R=（U-UF）/IF

式中 U——电源电压值，单位为V；

UF——发光二极管的工作电压，单位为V；

IF——发光二极管的工作电流，单位为mA，通常IF取10 mA左右。

R——限流电阻值，单位为?。

发光二极管的反向击穿电压一般在5 V左右，使用中不应使发光二极管承受超过5 V的反向电压，否则将会使发光二极管击穿损坏。

（5） 发光二极管的发光波长

发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。在不同的半导体材料中，电子和空穴所处的能量状态是不同的。因此，当电子和空穴复合时所释放出来的能量大小亦不同，释放出的能量越大则发出光的波长就越短，能量越小则发出光的波长越长。表1-5列出了各种颜色光的频率和在真空中的波长。凡是波长比0.07 μm还长的光叫红外光，人眼所能看见的光的波长范围为0.4～0.77 μm。