二极管的基本工作原理

     晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形成的 p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流：

    当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流 I₀ 。 当外加的反向电压高到一定程度时， p-n 结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

二极管的主要参数

    描述二极管特性的物理量称为二极管的参数，它是反映二极管电性能的质量指标，是合理选择和使用二极管的主要依据。在半导体器件手册或生产厂家的产品目录中，对各种型号的二极管均用表格列出其参数。二极管的主要参数有以下几种：
1．最大平均整流电流IF（AV）
    IF（AV）是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。它与PN结的面积、材料及散热条件有关。实际应用时，工作电流应小于IF（AV），否则，可能导致结温过高而烧毁PN结。
2．最高反向工作电压VRM
    VRM是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。实际应用时，当反向电压增加到击穿电压VBR 时，二极管可能被击穿损坏，因而，VRM通常取为（1/2 ～ 2/3）VBR 。
3．反向电流IR
    IR是指二极管未被反向击穿时的反向电流。理论上IR = IR（sat），但考虑表面漏电等因素，实际上IR稍大一些。IR愈小，表明二极管的单向导电性能愈好。另外，IR与温度密切相关，使用时应注意。
4．最高工作频率fM
    fM是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。实际应用时，不要超过此值，否则二极管的单向导电性将显著退化。fM的大小主要由二极管的电容效应来决定。

5．二极管的电阻
    就二极管在电路中电流与电压的关系而言，可以把它看成一个等效电阻，且有直流电阻与交流电阻之别。
   （1）直流等效电阻RD
    直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压UD与流过二极管的直流电流ID之比，即：

    RD的大小与二极管的工作点有关。通常用万用表测出来的二极管电阻即直流电阻。不过应注意的是，使用不同的欧姆档测出来的直流等效电阻不同。其原因是二极管工作点的位置不同。一般二极管的正向直流电阻在几十欧姆到几千欧姆之间，反向直流电阻在几十千欧姆到几百千欧姆之间。正反向直流电阻差距越大，二极管的单向导电性能越好。
   （2）交流等效电阻rd：

    rd亦随工作点而变化，是非线性电阻。通常，二极管的交流正向电阻在几～儿十欧姆之间。 需要指出的是，由于制造工艺的限制，即使是同类型号的二极管，其参数的分散性很大。通常半导体手册上给出的参数都是在一定测试条件下测出的，使用时应注意条件。

 半导体二极管的型号命名

    半导体二极管的型号命名通常根据国家标准cs一249一74规定，由五部分组成。第一部分用数字表示器件电极的数目；第二部分用汉语拼音字母表示器件材料和极性；第三部分用汉语拼音字母表示器件的类型；第四部分用数字表示器件序号；第五部分用汉语拼音字母表示规格号。如表所示：

二极管的分类

　　一、根据构造分类 　　

    半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。与PN结不可分割的点接触型和肖特基型，也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内，根据PN结构造面的特点，把晶体二极管分类如下：
　　1、点接触型二极管
　　点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其PN结的静电容量小，适用于高频电路。但是，与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。
　　2、键型二极管
　　键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的。其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较，虽然键型二极管的PN结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。多作开关用，有时也被应用于检波和电源整流（不大于50mA）。在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。
　　3、合金型二极管
　　在N型锗或硅的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作PN结而形成的。正向电压降小，适于大电流整流。因其PN结反向时静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。
　　4、扩散型二极管
　　在高温的P型杂质气体中，加热N型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部变成P型，以此法PN结。因PN结正向电压降小，适用于大电流整流。最近，使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。
　　5、台面型二极管
　　PN结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此，又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。
　　6、平面型二极管
　　在半导体单晶片（主要地是N型硅单晶片）上，扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。因此，不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整，故而得名。并且，PN结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。
　　7、合金扩散型二极管
　　它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质，就能与合金一起过扩散，以便在已经形成的PN结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。
　　8、外延型二极管
　　用外延面长的过程制造PN结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。
　　9、肖特基二极管
　　基本原理是：在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V左右。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间trr特别地短。因此，能制作开关二极和低压大电流整流二极管。
　

　　二、根据用途分类
　　1、检波用二极管
　　就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为2AP型。类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。
　2、整流用二极管
　　就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流大于100mA的叫整流。面结型，工作频率小于KHz，最高反向电压从25伏至3000伏分A～X共22档。分类如下：①硅半导体整流二极管2CZ型、②硅桥式整流器QL型、③用于电视机高压硅堆工作频率近100KHz的2CLG型。
　　3、限幅用二极管
　　大多数二极管能作为限幅使用。也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。也有这样的组件出售：依据限制电压需要，把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。
　　4、调制用二极管
　　通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是直接作为调频用。
　　5、混频用二极管
　　使用二极管混频方式时，在500～10,000Hz的频率范围内，多采用肖特基型和点接触型二极管。
　　6、放大用二极管
 　用二极管放大，大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的放大，以及用变容二极管的参量放大。因此，放大用二极管通常是指隧道二极管、体效应二极管和变容二极管。
　　7、开关用二极管
　　有在小电流下（10mA程度）使用的逻辑运算和在数百毫安下使用的磁芯激励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管，也有在高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特长是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短，因而是理想的开关二极管。2AK型点接触为中速开关电路用；2CK型平面接触为高速开关电路用；用于开关、限幅、钳位或检波等电路；肖特基（SBD）硅大电流开关，正向压降小，速度快、效率高。
　　8、变容二极管
　　用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压， 使其PN结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。
　　9、频率倍增用二极管
　　对二极管的频率倍增作用而言，有依靠变容二极管的频率倍增和依靠阶跃（即急变）二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器，可变电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同，但电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管，从导通切换到关闭时的反向恢复时间trr短，因此，其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波，那么，因tt（转移时间）短，所以输出波形急骤地被夹断，故能产生很多高频谐波。
　　10、稳压二极管
　　是代替稳压电子二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压（又称齐纳电压）从3V左右到150V，按每隔10%，能划分成许多等级。在功率方面，也有从200mW至100W以上的产品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动态电阻RZ很小，一般为2CW型；将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为2DW型。
　　11、PIN型二极管（PIN Diode）
　　这是在P区和N区之间夹一层本征半导体（或低浓度杂质的半导体）构造的晶体二极管。PIN中的I是“本征”意义的英文略语。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，“本征”区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入“本征”区，而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。
　　12、 雪崩二极管 (Avalanche Diode)
　　它是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是栾的：利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间，所以其电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的振荡电路中。
　　13、江崎二极管 （Tunnel Diode）
　　它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。其基底材料是砷化镓和锗。其P型区的N型区是高掺杂的（即高浓度杂质的）。隧道电流由这些简并态半导体的量子力学效应所产生。发生隧道效应具备如下三个条件：①费米能级位于导带和满带内；②空间电荷层宽度必须很窄（0.01微米以下）；简并半导体P型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。江崎二极管为双端子有源器件。其主要参数有峰谷电流比（IP／PV），其中，下标“P”代表“峰”；而下标“V”代表“谷”。江崎二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应用于高速开关电路中。
　　14、快速关断（阶跃恢复）二极管 (Step Recovary Diode)
　　它也是一种具有PN结的二极管。其结构上的特点是：在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成“自助电场”。由于PN结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在PN结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管的“自助电场”缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中。
　　15、肖特基二极管 （Schottky Barrier Diode）
　　它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。其正向起始电压较低。其金属层除材料外，还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓，多为N型半导体。这种器件是由多数载流子导电的，所以，其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微，所以其频率响仅为RC时间常数限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达100GHz。并且，MIS（金属－绝缘体－半导体）肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。
　　16、阻尼二极管
　　具有较高的反向工作电压和峰值电流，正向压降小，高频高压整流二极管，用在电视机行扫描电路作阻尼和升压整流用。
　　17、瞬变电压抑制二极管
　　TVP管，对电路进行快速过压保护，分双极型和单极型两种，按峰值功率（500W－5000W）和电压（8.2V～200V）分类。
　　18、双基极二极管（单结晶体管）
　　两个基极，一个发射极的三端负阻器件，用于张驰振荡电路，定时电压读出电路中，它具有频率易调、温度稳定性好等优点。
　　19、发光二极管
　　用磷化镓、磷砷化镓材料制成，体积小，正向驱动发光。工作电压低，工作电流小，发光均匀、寿命长、可发红、黄、绿单色光。

　　三、根据特性分类
　　点接触型二极管，按正向和反向特性分类如下。
　　1、一般用点接触型二极管
　　这种二极管正如标题所说的那样，通常被使用于检波和整流电路中，是正向和反向特性既不特别好，也不特别坏的中间产品。如：SD34、SD46、1N34A等等属于这一类。
　　2、高反向耐压点接触型二极管
　　是最大峰值反向电压和最大直流反向电压很高的产品。使用于高压电路的检波和整流。这种型号的二极管一般正向特性不太好或一般。在点接触型锗二极管中，有SD38、1N38A、OA81等等。这种锗材料二极管，其耐压受到限制。要求更高时有硅合金和扩散型。
　　3、高反向电阻点接触型二极管
　　正向电压特性和一般用二极管相同。虽然其反方向耐压也是特别地高，但反向电流小，因此其特长是反向电阻高。使用于高输入电阻的电路和高阻负荷电阻的电路中，就锗材料高反向电阻型二极管而言，SD54、1N54A等等属于这类二极管。
　　4、高传导点接触型二极管
　　它与高反向电阻型相反。其反向特性尽管很差，但使正向电阻变得足够小。对高传导点接触型二极管而言，有SD56、1N56A等等。对高传导键型二极管而言，能够得到更优良的特性。这类二极管，在负荷电阻特别低的情况下，整流效率较高。

    二极管的基本应用

　　我们运用二极管主要是利用它的单向导电性。它导通时，我们可用短线来代替它，它截止时，我们可认为它断路。

    1.限幅电路
    当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。
    例1.试分析图(1)所示的限幅电路,输入电压的波形为图(2),画出它的限幅电路的波形

    (1) E=0时限幅电平为0v。ui>0时二极管导通，uo=0，ui<0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：如图（3）所示

    (2) 当0<E<UM时，限幅电平为+E。ui<+E时，二极管截止，uo=ui；ui>+E时,二极管导通,uo=E,它的波形图为:如图(4)所示
    (3)当-UM<E<0时,限幅电平为负数,它的波形图为:如图(5)所示

    二 、二极管门电路
    二极管组成的门电路，可实现逻辑运算。如图(6)所示的电路，只要有一条电路输入为低电平时，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平。实现逻辑"与"运算.