整流二極管工作原理圖

A.　半導體的基本知識
　　多數現代電子器件是由性能介于導體與絕緣體之間的半導體材料制成的。為了從電路的觀點理解這些器件的性能，首先必須從物理的角度了解它們是如何工作的。

一、半導體材料

　　從導電性能上看，物質材料可分為三大類：

　　導體： 電阻率ρ < 10-4 ，電阻變小。這時的外加電壓稱為正向電壓或正向偏置電壓用VF表示。

　　在VF作用下，通過PN結的電流稱為正向電流IF。外加正向電壓的電路如圖所示。


2、外加反向電壓

　　當PN結外加反向電壓時，外電場與內電場的方向相同，內電場變強，結果使空間電荷區（PN結）變寬, 同時空間電荷區中載流子的濃度減小，電阻變大。這時的外加電壓稱為反向電壓或反向偏置電壓用VR表示。在VR作用下，通過PN結的電流稱為反向電流IR或稱為反向飽和電流IS。如下圖所示。



3、PN結的伏安特性

根據理論分析，PN結的伏安特性可以表達為：
　　式中iD為通過PN結的電流，vD為PN結兩端的外加電壓；VT為溫度的電壓當量=kT/q=T/11600=0.026V， 其中k為波爾慈曼常數（1.38×10-23J/K），T為絕對溫度（300K），q為電子電荷（1.6×10-19C） ；e為自然對數的底；IS為反向飽和電流。



整流二極管工作原理C. 　半導體二極管的結構

　　半導體二極管按其結構的不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。

　　點接觸型二極管是由一根很細的金屬觸絲(如三價元素鋁)和一塊半導體(如鍺)的表面接觸，然后在正方向通過很大的瞬時電流，使觸絲和半導體牢固地熔接在一起，三價金屬與鍺結合構成PN結，并做出相應的電極引線，外加管殼密封而成，如圖 2.7所示。由于點接觸型二極管金屬絲很細， 形成的PN結面積很小， 所以，也不能承受高的反向電壓和大的電流。這種類型的管子適于做高頻檢波和脈沖數字電路里的開關元件， 也可用來作小電流整流。 如2APl是點接觸型鍺二極管， 最大整流電流為16mA， 最高工作頻率為15OMHz。

　　面接觸型或稱面結型二極管的PN結是用合金法或擴散法做成的，其結構如圖2.7 所示。由于這種二極管的PN結面積大，可承受較大的電流，但極間電容也大。這類器件適用于整流，而不宜用于高頻電路中。如2CPl為面接觸型硅二極管，最大整流電流為40OmA， 最高工作頻率只有3kHz。

　　圖2.7中的硅工藝平面型二極管結構圖， 是集成電路中常見的一種形式。代表二極管的符號也在圖2.7中示出。

　　部分二極管實物如圖2.8所示。　　　　


整流二極管工作原理d 、二極管的伏安特性:

　　實際。由圖可以看出，二極管的V-I特性和PN結的V-I特性(圖2.6)基本上是相同的。下面對二極管V-I特性分三部分加以說明:

1、正向特性：二極管外加正向偏置電壓時的V-I特性


　　對應于圖2.9（b）的第①段為正向特性，此時加于二極管的正向電壓只有零點幾伏，但相對來說流過管子的電流卻很大，因此管子呈現的正向電阻很小。但是，在正向特性的起始部分，由于正向電壓較小，外電場還不足以克服PN結的內電場，因而這時的正向電流幾乎為零，二極管呈現出一個大電阻，好像有一個門坎。 硅管的門坎電壓Vth(又稱死區電壓)約為0·5V，鍺管的Vth約為0·lV，當正向電壓大于Vth時，內電場大為削弱，電流因而迅速增長。


2、反向特性：二極管外加反向偏置電壓時的V-I特性


　　P型半導體中的少數載流子（電子）和N型半導體中的少數載流子（空穴），在反向電壓作用下很容易通過PN結， 形成反向飽和電流。但由于少數載流子的數目很少， 所以， 一般硅管的反向電流比鍺管小得多，其數量級為：硅管nA級，鍺管大mA級。

　　溫度升高時，由于少數載流子增加，反向電流將隨之急劇增加。


3、反向擊穿特性：二極管擊穿時的V-I特性


　　當增加反向電壓時， 因在一定溫度條件下， 少數載流子數目有限，故起始一段反向電流沒有多大變化，當反向電壓增加到一定大小時，反向電流劇增，這叫做二極管的反向擊穿， 對應于圖2.9的第③段，其原因與PN結擊穿相同。