二極管二極管的特性與應用

幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導體器件之一，其應用也非常廣泛。

二極管的工作原理

晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。

二極管的類型

二極管種類有很多，按照所用的半導體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。根據其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩壓二極管、開關二極管等。按照管芯結構，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起，形成一個“PN結”。由于是點接觸，只允許通過較小的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩定可靠，多用于開關、脈沖及高頻電路中。

二極管的導電特性

二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特性。

1.???? 正向特性。

在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能直正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。

2.???? 反向特性。

在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態稱為二極管的擊穿。

二極管的主要參數

用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術指標，稱為二極管的參數。不同類型的二極管有不同的特性參數。對初學者而言，必須了解以下幾個主要參數：

1、額定正向工作電流

是指二極管長期連續工作時允許通過的最大正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為140左右，鍺管為90左右）時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。例如，常用的IN4001－4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。

2、最高反向工作電壓

加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向導電能力。為了保證使用安全，規定了最高反向工作電壓值。例如，IN4001二極管反向耐壓為50V，IN4007反向耐壓為1000V。

3、反向電流

反向電流是指二極管在規定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向導電性能越好。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。例如2AP1型鍺二極管，在25時反向電流若為250uA，溫度升高到35，反向電流將上升到500uA，依此類推，在75時，它的反向電流已達8mA，不僅失去了單方向導電特性，還會使管子過熱而損壞。又如，2CP10型硅二極管，25時反向電流僅為5uA，溫度升高到75時，反向電流也不過160uA。故硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩定性。

二極管-晶體二極管???

?晶體二極管
crystal diode
??? 固態電子器件中的半導體兩端器件。起源于19世紀末發現的點接觸二極管效應，發展于20世紀30年代，主要特征是具有單向導電性，即整流特性。利用不同的半導體材料、摻雜分布、幾何結構，可制成不同類型的二極管，用來產生、控制、接收、變換、放大信號和進行能量轉換。例如穩壓二極管可在電源電路中提供固定偏壓和進行過壓保護；雪崩二極管作為固體微波功率源，用于小型固體發射機中的發射源；半導體光電二極管能實現光-電能量的轉換，可用來探測光輻射信號；半導體發光二極管能實現電-光能量的轉換，可用作指示燈、文字-數字顯示、光耦合器件、光通信系統光源等；肖特基二極管可用于微波電路中的混頻、檢波、調制、超高速開關、倍頻和低噪聲參量放大等。
??? 分類
按用途分：檢波二極管、整流二極管、穩壓二極管、開關管、光電管。
按結構分：點接觸型二極管、面接觸型二極管

二極管-激光二極管???

一、激光的產生機理

二極管
?

在講激光產生機理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程，

一時處于高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為自發輻射；

二是處于高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為受激輻射；

三是處于低能態的粒子吸收外來光的能量向高能態躍遷稱之為受激吸收。

自發輻射，即使是兩個同時從某一高能態向低能態躍遷的粒子，它們發出光的相位、偏振狀態、發射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當位于高能態的粒子在外來光子的激發下向低能態躍遷，發出在頻率、相位、偏振狀態等方面與外來光子完全相同的光。在激光器中，發生的輻射就是受激輻射，它發出的激光在頻率、相位、偏振狀態等方面完全一樣。任何的受激發光系統，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射占優勢，才能把外來光放大而發出激光。而一般光源中都是受激吸收占優勢，只有粒子的平衡態被打破，使高能態的粒子數大于低能態的粒子數（這樣情況稱為離子數反轉），才能發出激光。

產生激光的三個條件是：實現粒子數反轉、滿足閾值條件和諧振條件。產生光的受激發射的首要條件是粒子數反轉，在半導體中就是要把價帶內的電子抽運到導帶。為了獲得離子數反轉，通常采用重摻雜的P型和N型材料構成PN結，這樣，在外加電壓作用下，在結區附近就出現了離子數反轉—在高費米能級EFC以下導帶中貯存著電子，而在低費米能級EFV以上的價帶中貯存著空穴。實現粒子數反轉是產生激光的必要條件，但不是充分條件。要產生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩個互相平行的反射鏡，激活物質所發出的受激輻射光在兩個反射鏡之間來回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內的各種損耗，即滿足一定的閾值條件:

P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1

（P1、P2是兩個反射鏡的反射率，G是激活介質的增益系數，A是介質的損耗系數，exp為常數），才能輸出穩定的激光，另一方面，激光在諧振腔內來回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。。。。時，才能在輸出端產生加強干涉，輸出穩定激光。設諧振腔的長度為L，激活介質的折射率為N，則

Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長度L和折射率N確定以后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩定的激光。這說明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。

二、激光二極管本質上是一個半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統中的應用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中，上行發射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。

半導體激光二極管的基本結構如圖所示，垂直于PN結面的一對平行平面構成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導體晶體的解理面，也可以是經過拋光的平面。其余兩側面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半導體中的光發射通常起因于載流子的復合。當半導體的PN結加有正向電壓時，會削弱PN結勢壘，迫使電子從N區經PN結注入P區，空穴從P區經過PN結注入N區，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發生復合，從而發射出波長為λ的光子，其公式如下：?

λ = hc/Eg (1)

式中：h—普朗克常數； c—光速； Eg—半導體的禁帶寬度。

上述由于電子與空穴的自發復合而發光的現象稱為自發輻射。當自發輻射所產生的光子通過半導體時，一旦經過已發射的電子—空穴對附近，就能激勵二者復合，產生新光子，這種光子誘使已激發的載流子復合而發出新光子現象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態相反的載流子分布，即粒子數反轉。當有源層內的載流子在大量反轉情況下，少量自發輻射產生的光子由于諧振腔兩端面往復反射而產生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當增益大于吸收損耗時，就可從PN結發出具有良好譜線的相干光——激光，這就是激光二極管的簡單原理。

隨著技術和工藝的發展，目前實際使用的半導體激光二極管具有復雜的多層結構。

????? 常用的激光二極管有兩種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產生光電流時，會帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內部放大,比PIN光電二極管的傳輸距離遠，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測器件后面須連接低噪聲預放大器和主放大器。

????? 半導體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。

????? 激光二極管本質上是一個半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統中的應用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中，上行發射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。

????? 半導體激光二極管的常用參數有：?
???? （1）波長：即激光管工作波長，目前可作光電開關用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。?
??? （2）閾值電流Ith ：即激光管開始產生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數十毫安，具有應變多量子阱結構的激光管閾值電流可低至10mA以下。?
??? （3）工作電流Iop ：即激光管達到額定輸出功率時的驅動電流，此值對于設計調試激光驅動電路較重要。?
??? （4）垂直發散角θ⊥：激光二極管的發光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15?~40?左右。?
??? （5）水平發散角θ∥：激光二極管的發光帶在與PN結平行方向所張開的角度，一般在6?~ 10?左右。?
??? （6）監控電流Im ：即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。?

????? 激光二極管在計算機上的光盤驅動器，激光打印機中的打印頭等小功率光電設備中得到了廣泛的應用。

二極管-發光二極管???

二極管
?發光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極管發紅光，磷化鎵二極管發綠光，碳化硅二極管發黃光。

它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能；常簡寫為LED。發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發光二極管加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合，產生自發輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短。常用的是發紅光、綠光或黃光的二極管。

發光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計算：

R＝（F－UF）／IF
式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED的一般工作電流。發光二極管的兩根引線中較長的一根為正極，應按電源正極。有的發光二極管的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。

與小白熾燈泡和氖燈相比，發光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很小（有的僅零點幾毫安即可發光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調制通過的電流強弱可以方便地調制發光的強弱。由于有這些特點，發光二極管在一些光電控制設備中用作光源，在許多電子設備中用作信號顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發光管組成7段式半導體數碼管（圖），每個數碼管可顯示0～9十個數目字。

二極管-微波二極管???

工作在微波頻段的二極管。屬于固體微波器件。微波波段通常指頻率從300兆赫到3000吉赫。19世紀末發現了點接觸二極管效應后，相繼出現了PIN二極管、變容二極管、肖特基二極管、隧道二極管、耿氏二極管等微波二極管。微波二極管的基片材料由鍺、硅發展到砷化鎵，使微波二極管工作頻率不斷提高，目前最高頻率已達300吉赫。微波二極管具有體積小和可靠性高等優點，用于微波振蕩、放大、變頻、開關、移相和調制等方面。

二極管-穩壓二極管???

?穩壓二極管 voltage stabilizing diode

二極管
???? 一種用于穩定電壓的單PN結二極管。它的伏安特性、電路符號如圖所示。結構同整流二極管。加在穩壓二極管的反向電壓增加到一定數值時，將可能有大量載流子隧穿PN結的位壘，形成大的反向電流，此時電壓基本不變，稱為隧道擊穿。當反向電壓比較高時，在位壘區內將可能產生大量載流子，受強電場作用形成大的反向電流，而電壓亦基本不變，為雪崩擊穿。因此，反向電壓臨近擊穿電壓時，反向電流迅速增加，而反向電壓幾乎不變。這個近似不變的電壓稱為齊納電壓（隧道擊穿）或雪崩電壓（雪崩擊穿）。

穩壓二極管工作于反向擊穿狀態(圖a)。反向電流在-IZK和-IZM之間時，二極管兩端的電壓基本不變，等于UZ，即為穩定電壓。對硅穩壓二極管而言，穩定電壓在5V以下的器件靠齊納電壓工作，穩定電壓在7V以上的器件靠雪崩電壓工作，兩者之間的器件兩種形式的擊穿都可能起作用。

　　電流IZK是器件起穩壓作用的最小工作電流,而IZM則是最大可利用的齊納電流或雪崩電流，其值受穩壓二極管耗散功率的限制。IZ是相應于穩定電壓UZ的工作電流。最大工作電流的范圍從幾個毫安到幾十安。常用穩壓二極管的穩定電壓標稱值約在2～200V的范圍內。

二極管-觸發二極管???

?觸發二極管
二極管?????

?觸發二極管（DIAC）屬三層結構，具有對稱性的二端半導體器件。常用來觸發雙向可控硅 ，在電路中作過壓保護等用途。

圖1是它的構造示意圖。圖2、圖3分別是它的符號及等效電路，可等效于基極開路、發射極與集電極對稱的NPN型晶體管。因此完全可用二只NPN晶體管如圖4連接來替代。

雙向觸發二極管正、反向伏安特性幾乎完全對稱（見圖5）。當器件兩端所加電壓U低于正向轉折電壓V（B0）時，器件呈高阻態。當U>V(B0)時，管子擊穿導通進入負阻區。同樣當U大于反向轉折電壓V（BR）時，管子同樣能進入負阻區。轉折電壓的對稱性用△V（B）表示。△V（B）=V（B0）-V（BR）。一般△V（B）應小于2伏。雙向觸發二極管的正向轉折電壓值一般有三個等級：20-60V、100-150V、200-250V。由于轉折電壓都大于20V，可以用萬用表電阻擋正反向測雙向二極管，表針均應不動（RX10k),但還不能完全確定它就是好的。檢測它的好壞，并能提供大于250V的直流電壓的電源，檢測時通過管子的電流不要大于是5mA。用晶體管耐壓測試器檢測十分方便。如沒有，可用兆歐表按圖6所示進行測量（正、反各一次），電壓大的一次V（BR）。例如：測一只DB3型二極管，第一次為27.5V，反向后再測為28V，則△V（B）=V（B0）-V（BR）=28V-27.5V=0.5V<2V,表明該管對稱性很好。
圖７是雙向觸發二極管與雙向可控硅等元件構成的臺燈調光電路。通過調節電位器R2，可以改變雙向可控硅的導通角，從而改變通過燈泡的電流（平均值）實現連續調光。如果將燈泡換電熨斗、電熱褥還可實現連續調溫。
該電路在雙向可控硅加散熱器的情況下，可控負載功率可達500W，各元件參數見圖所標注。

二極管-隧道二極管???
二極管
?又稱為江崎二極管,它是以隧道效應電流為主要電流分量的晶體二極管。隧道二極管是采用砷化鎵（GaAs）和銻化鎵（GaSb）等材料混合制成的半導體二極管，其優點是開關特性好，速度快、工作頻率高；缺點是熱穩定性較差。一般應用于某些開關電路或高頻振蕩等電路中。它的工作符合發生隧道效應具備的三個條件：①費米能級位于導帶和滿帶內；②空間電荷層寬度必須很窄（0.01微米以下）；簡并半導體P型區和N型區中的空穴和電子在同一能級上有交疊的可能性。隧道二極管為雙端子有源器件。其主要參數有峰谷電流比（IP／PV），其中，下標"P"代表"峰"；而下標"V"代表"谷"。簡單地說,所謂"隧道效應"就是指粒子通過一個勢能大于總能量的有限區域。這是一種量子力學現象， 按照經典力學是不可能出現的。隧道二極管可以被應用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中（其工作頻率可達毫米波段），也可以被應用于高速開關電路中。

二極管-光敏二極管???

光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導體二極管在結構上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結，具有單向導電性，因此工作時需加上反向電壓。無光照時,有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時光敏二極管截止。當受到光照時,飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強度的變化而變化。當光線照射PN結時，可以使PN結中產生電子一空穴對，使少數載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。常見的有2CU、2DU等系列。