二极管的结构、特性、参数、稳压管的特性和参数

本文介绍的定义
一、半导体类型
二、PN结的结构与单向导电性
三、二极管的伏安特性
四、二极管的参数
五、稳压管

本文介绍的定义

本文介绍的定义：半导体、本征半导体、空穴、载流子、杂质半导体、N型半导体、P型半导体、PN结、内电场、漂移运动、扩散运动、动态平衡状态、空间电荷区宽度、电位壁垒、正向偏置、反向偏置、反向饱和电流、单向导电性、二极管、二极管的伏安特性、正向特性、死区电压、反向特性、反向击穿电压、二极管方程、最大整流电流、最高反向工作电压、反向电流、最高工作频率、电容效应、稳压管、稳定电压、稳定电流、动态内阻、额定功耗、电压的温度系数、稳压管电路。

一、半导体类型

半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能力是由原子结构决定，硅和锗原子最外层轨道4个价电子。在硅或锗晶体中，原子在空间排列成规则的晶格，两个相邻原子共有一对价电子，组成共价键。

本征半导体：纯净不含杂质的半导体称为本征半导体，由于晶体共价键结合力很强，-273度时，晶体中不存在能导电的载流子，如果温度升高，如室温下，将有少数价电子克服共价键束缚成为自由电子，自由电子数量少，因此本征半导体导电力弱。

空穴：价电子成为自由电子时，原来共价键中留下一个空位，这个空位称为空穴。可以将空穴视为带正电的载流子。

载流子：半导体中存在两种载流子，自由电子和空穴。

杂质半导体：本征半导体掺入某种特定杂志。

N型半导体：4价硅和锗晶体掺入少量5价杂质元素如磷，这样会多出来一个电子，只受原子核吸引，容易成为自由电子。N型半导体中电子浓度大于空穴浓度，由于电子带负电，故用Negative表示。N型半导体多数载流子是电子，少数载流子是空穴。

P型半导体：4价硅和锗晶体掺入少量3价杂质元素如硼，杂质原子和周围硅原子组成共价键，将容易从其他位置的共价键中夺取一个电子，那其他地方就产生一个空穴。P型半导体中空穴浓度大于电子浓度。由于空穴带正电，故用Positive表示。P型半导体多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

可见杂质半导体导电能力提高。

二、PN结的结构与单向导电性

半导体一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体。

PN结：如下图所示，N区电子向P区扩散，P区空穴向N区扩散。电子空穴相遇，将消失。于是交界处产生由不能移动的正负离子组成的空间电荷区，称为PN结、耗尽层。

内电场：扩散后，P区带负电，N区带正电。二者之间产生生电位差，形成的电场称为内电场，方向从N指向P。内电场将阻止多数载流子继续扩散，有利于少数载流子运动，即有利于p区电子向N移，不利于P区空穴向N移。

漂移运动：载流子在电场作用下的定向移动。

PN结中两种载流子运动：多数载流子扩散运动产生扩散电流；少数载流子漂移运动产生漂移电流。

动态平衡状态：达到动态平衡时，扩散电路与漂移电流相等，PN结中总电流为0。

空间电荷区宽度：扩散，宽度增大，飘移，宽度减小，动态平衡，宽度稳定。很薄，几微米-十几微米。

电位壁垒Ud：硅，0.6-0.8V；锗，0.2-0.3V 。

正向偏置：PN结外加电压V，正极接P区，负极接N区。

如下图所示，外电场使P区空穴右移，与空间电荷区负离子中和；N区电子左移，与空间电荷区正离子中和，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动，不利于少数载流子飘移运动。回路形成正向电流I，方向从P到N。

正向偏置，PN结接上小电压可得到大的正向电流，防止回路电流过大，加一个电阻R。

反向偏置：PN结外加电压V，正极接N区，负极接P区。

如下图，P区空穴和N区电子逐渐远离耗尽层，电位壁垒增加，不利于多数载流子扩散，有利于少数载流子漂移。回路中形成少数载流子运动产生的反向电流I。

反向饱和电流：反向电压超过一定值，反向电流不再增加，所以称为反向饱和电流。它对温度敏感。

单向导电性：因此，PN结正向偏置，回路中产生较大正向电流，PN结导通；PN结反向偏置，回路产生较小反向电流，PN结截止。可见，PN结具有单向导电性。

三、二极管的伏安特性

二极管：PN结外面装上管壳，再引出两个电极，阳极从P引出，阴极从N引出。就成为二极管。

二极管的伏安特性：用来描述二极管的性能。流过二极管的电流I与加在管子两端的电压U之间的关系曲线I=f(U) 就是二极管的伏安特性。

正向特性：图的右半部分展示正向特性。

死区电压：正向电压较小时，正向电流几乎为零，正向电压超过死区电压时，正向电流才开始快速增长。死区电压大小与二极管材料和温度等有关。硅，0.5V；锗，0.1V 。

反向特性：图的左半部分展示反向特性。

反向饱和电流：图中的Is表示反向饱和电流，一定范围内，反向电流不随着反向电压增大而增大。

反向击穿电压：反向电压继续升高，超过Ubr，反向电流急剧增大，这种现象为击穿。Ubr称为反向击穿电压。

二极管方程：也就是PN结伏安特性表达式，Is是反向饱和电流，Ut是温度的电压当量。

U小于0，那么u绝对值很大时候，e的u次方就是趋于0，那么I就等于-Is。

四、二极管的参数

最大整流电流If：二极管长期运行，允许通过管子的最大正向平均电流。由温升限定。

最高反向工作电压Ur：工作时，加在二极管的反向电压不能超过它，否则，二极管可能被击穿。

反向电流Ir：室温下，二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流，Ir越小越好，因为单向导电性越好。由少数载流子形成，受温度影响大。

最高工作频率fm：取决于PN结结电容大小，结电容越大，允许的fm越低。

电容效应：如果二极管两端电压变化，PN结中存储的电荷量也变化，像一个电容器。

五、稳压管

稳压管：也是一种二极管，工作在反向击穿区。实现稳压的原理就是，二极管工作在反向击穿区，反向电流变化大，但是管子两端电压变化小，稳压管伏安特性与符号如下图所示。

稳压管的主要参数如下。

稳定电压Uz：稳压管工作在反向击穿区时的工作电压，型号2DW7C稳压管，稳定电压在6.1-6.5V之间。

稳定电流Iz：稳压管正常工作时的参考电流，电流低于Iz，稳压性能变差，高于Iz，不超过额定功耗，稳压管正常工作。

动态内阻rz：稳压管两端电压和电流变化量之比，rz越小，稳压性能越好。

额定功耗：管子两端有电压，管子里面流过电流，需要消耗功率，部分功率转化为热能，使管子发热。

电压的温度系数：电流不变，温度变化1度，引起的稳定电压变化的百分比。电压的温度系数越小越好。

稳压管电路如下图所示。

1.外加电源正极接稳压管N区，负极接P区，因为，稳压管要工作在反向击穿区。

2.稳压管与负载电阻Rl并联，稳压管两端电压变化小，所以输出电压稳定。

3.流过稳压管的电流Iz不能超过规定值，避免过热烧坏管子。不能太小，小于临界值Izmin，稳压管失去稳压作用。

4.接入限流电阻R，用来调节稳压管的电流Iz大小。

本文图片参考杨素行老师的模电书。