excel二极管伏安特性曲线_基础元件介绍—半导体二极管

晶体二极管是由P型半导体和N型半导体形成的P-N结，在界面两侧形成空间电荷层，并建立自建电场。当没有额外的电压时，因为P-N两侧载流子浓度差引起的扩散电流等于自建电场引起的漂移电流。

当外部有正电压偏置时，外部电场和自建电场的相互抑制会增加载流子的扩散电流，导致正电流。

当外部有反向电压偏置时，外部电场和自建电场进一步加强，形成与反向电压值无关的反向饱和电流。

当外加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，产生大量电子空穴对，产生大值反向击穿电流，称为二极管击穿。

半导体二极管的主要参数

伏安特性曲线如图1所示。

图1 二极管伏安特性曲线

1.反向饱和漏电流IR

在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流与半导体材料和温度有关。硅管在室温下IR为纳安(10-9A)级，锗管的IR为微安(10-6A)级。

2.额定整流电流IF

指二极管长期运行时，根据允许温升计算的平均电流值。目前，大功率整流二极管IF值可达1000A。

3. 最大平均整流电流IO

平均整流电流的最大值在半波整流电路中流过负载电阻。这是设计中非常重要的值。

4. 最大浪涌电流IFSM

允许流过的过量正电流。它不是正常电流，而是瞬时电流，相当大。

5.最大反向峰值电压VRM

即使没有反向电流，只要反向电压不断增加，迟早会损坏二极管。这种反向电压不是瞬时电压，而是反复的正反向电压。由于交流电压被添加到整流器中，其最大值是指定的重要因素。最大反向峰值电压VRM指最大反向电压，以避免击穿。目前最高的VRM值可达几千伏。

6. 最大直流反向电压VR

上述最大反向峰值电压是反复增加的峰值电压，VR是连续增加直流电压的值。对于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值非常重要。

7.最高工作频率fM

由于PN当工作频率超过一定值时，其单向导电性会变差。点接触式二极管fM值较高，在100MHz以上；二极管整流fM低，一般不高于几千赫。

8.反向恢复时间Trr

当工作电压从正向电压变为反向电压时，二极管工作的理想情况是电流可以瞬时停止。事实上，通常会推迟一点时间。电流截止延迟的数量是反向恢复时间。虽然直接影响二极管的开关速度，但不一定意味着值小。也就是说，当二极管突然从导通反向时，反向电流从大衰减到接近IR时间。当高频开关状态下大功率开关管工作时，。

9. 最大功率P

当电流流过二极管时，它会吸收热量，提高温度。最大功率P是功率的最大值。具体来说，添加到二极管两端的电压乘以流过的电流。这一极限参数对稳压二极管和可变电阻二极管尤为重要。

半导体二极管的命名方法

半导体器件的型号由五部分组成，如图2所示。如2所示AP其中2表示电极数为2，A表示N型锗材料，P表示普通管，9表示序号。

图2 半导体二极管的型号

半导体二极管的分类

半导体二极管可分为普通二极管和特殊二极管。普通二极管包括整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、快速二极管等。特殊二极管包括变容器二极管、发光二极管、隧道二极管、触发二极管和激光二极管。几种主要二极管的特点如下：

1.整流二极管

整流二极管结构以平面接触为主，其特点是允许通过的电流大，反向击穿电压高，但PN结电容相对较大，一般用于处理频率较低的电路。如整流电路、嵌位电路、保护电路等。使用整流二极管的主要因素是最大整流电流和最大反向工作电压应大于实际工作值。

二、快速二极管

快速二极管的工作原理与普通二极管相同，但由于开关状态下普通二极管的反向恢复时间较长，约为4 ms～5ms，不能适应高频开关电路的要求。快速二极管主要应用于高频整流电路、高频开关电源、高频阻容吸收电路、逆变电路等，其反向恢复时间可达10ns。快速二极管主要包括快速恢复二极管和肖特基二极管。

3.快速恢复二极管(简称二极管)FRD)：半导体二极管具有开关特性好、反向恢复时间短等特点，主要用于开关电源PWM高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管常用于脉宽调制器、变频器等电子电路。快速恢复二极管采用掺金、简单扩散等工艺，可获得较高的开关速度和较高的耐压性。快速恢复二极管的内部结构和普通PN结二极管不同，属于PIN结P型硅材料和N型硅材料之间增加了结型二极管I，构成PIN硅片。由于基区薄，反向恢复电荷小，二极管反向恢复时间短，正向压降低，反向击穿电压(耐压值)高。快速恢复二极管主要用作逆变电源、高频电路限幅、嵌位等的整流元件。

4.肖特基(Schottky)二极管:也叫肖特基势垒二极管(简称二极管)SBD)，它是基于金属与半导体接触形成的势垒层制成的二极管，其主要特点是正通压降低(约0.45V)，开关电源、变频器、驱动器等电路采用反向恢复时间短、开关损耗小的半导体装置，用于高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，或用于微波通信等电路中的整流二极管和小信号检波二极管。肖特基二极管的结构和PN结二极管有很大的不同。其内部由阳极金属（钼或铝制成的阻挡层）和二氧化硅(SiO2)电场消除材料，N-外延层(砷材料)N型硅基片、N 阴极层和阴极金属在N型基板和阳极金属之间形成肖特基势垒。在肖特基势垒两端加上正向偏压(阳极金属接电源正极，N当类型基连接到电源负极时，肖特基势垒层变窄，内阻变小。在肖特基势垒两端加上正向偏压(阳极金属接电源正极，N当类型基板连接到电源负极时，肖特基势垒层变窄，内阻变小。相反，如果肖特基势垒两端加上反向偏压，肖特基势垒层变宽，内阻变大。

肖特基二极管耐压性低，反向泄漏电流大。根据这一特点，可用于高频低压电路。目前主要用于电源转换电路，耐压性一般小于150V，平均电流小于100A，反向恢复时间为10 ns～40ns之间。

5.稳压二极管：稳压二极管又称齐纳二极管或反向击穿二极管PN具有结反击穿特性的稳压性能的装置在电路中起着稳定的作用。当二极管反向击穿时，反向电压不会随反向电流而变化。稳压二极管通常由硅半导体材料采用合金法或扩散法制成。它不仅具有普通二极管的单向导电特性，而且可以向击穿状态下工作。当反向电压较低时，稳压二极管的截止日期；当反向电压达到一定值时，反向电流突然增加，稳压二极管进入击穿区。此时，即使反向电流在很大范围内发生变化，稳压二极管两端的反向电压仍基本保持不变。当反向电流增大到一定数值后，稳压二极管则会被彻底击穿而损坏。稳压二极管的特性曲线如图3所示。

图3 稳压二极管伏安特曲线

根据包装形式、电流容量和内部结构，稳压二极管可分为多种类型。包装形式分为金属外壳包装稳压二极管、玻璃包装（以下简称玻璃包装）稳压二极管和塑料包装（以下简称塑料包装）稳压二极管。塑料密封稳压二极管有两种类型：导线型和表面包装。

稳压管的主要参数包括：1. 稳压值VZ，当流过稳压管的电流为规定值时，稳压管两端的压降；2. 电压温度系数、稳压管的稳压值VZ温度系数在VZ低于4V当VZ的值大于7V当温度系数为正值时VZ的值在6V温度系数几乎为零。目前低温度系数的稳压管是由两只稳压管反向串联而成，利用两只稳压管处于正反向工作状态时具有正、负不同的温度系数，可得到很好的温度补偿。3. 动态电阻rZ，表示稳压管的稳压性能，一般工作电流越大，rZ越小；4. 允许功耗PZ，小功率稳压管由稳压管允许的温升决定PZ值为100 mW～1000mW，大功率可达50W。5. 稳定电流IZ，测试稳压管参数时增加的电流。实际流过稳压管的电流低于IZ但是rZ较大。

稳压管的主要用途是稳定电压。当要求精度低、电流变化范围小时，最接近所需稳压值的稳压管可直接与负载并联。基准电源一般用于稳压和稳流电源系统，也用于集成运的直流电平移。其缺点是噪声系数高，稳定性差。

6.半导体发光二极管：发光二极管(LED)是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)，GaP(磷化镓)，GaAsP(磷砷化镓)等半导体材料。除了一般P-N结的I-N此外，在一定条件下，它还具有发光特性。半导体发光二极管属于1923年发现的电致发光器件，当时并没有引起人们的注意。随着现代技术的发展，对发光设备提出了新的要求，希望发光管简单、可靠、寿命长、价格低、小型化。自20世纪60年代以来，电致发光的研究一直非常活跃。

LED结构因应用和材料混合而异。用于可见光指示和显示LED,要求结构最佳化以获得高效率；用于光通信LED, 发射波长必须在光纤损耗低的窗口区域，以高辐射度将最大功率耦合到光纤中，并具有较大的调节能力。

LED主要特点是在低压(低于2伏)和小电流(几十毫安至200毫安)下工作，功耗小，体积小，可直接连接固体电路，稳定可靠，使用寿命长(105~106小时)，价格便宜。LED调制方便，光输出可通过调制驱动电流进行调制。

LED可用作指示灯、文字-数字显示、光耦合器件、光通信系统光源等。用作指示灯LED径向引线结构和轴向引线结构有两种结构。前者尺寸小，价格低，适合印刷电路板(PCB)上；后者可以直接安装在仪器面板上PCB上。专为PCB最小的设计LED指示灯可与晶体管和集成电路兼容，用于指示电路状态和故障；文本-数字显示 LED袖珍计算器、数字手表和电子仪表的数字显示多为七段显示。对于台式计算器，显示通常是全文-数字3点矩阵，LED排成7×5阵列。35点矩阵价格较高、驱动电路复杂；光通信系统中使用的LED要求有良好的方向性，适于光通信应用的两种主要光源是高辐射度LED和半导体注入激光器，广泛用作中、短距离光通信系统的光源。此外，LED还用于信息处理、图像传输、测距和传感等领域；用作光耦合器件GaAs(或GaAsP)的LED与Si－PN结探测器相结合，可以制成许多新型器件，进行光-电和电-光的转换，通常称为光耦合器件。熟知的是光耦合隔离器，它高速、可靠并可提供高至2.5千伏的电隔离。采用光耦合器件的汽车点火装置，省油、易起动、工作平稳。

在新兴应用市场的带动下，LED的应用领域已从最初简单的电器指示灯、LED显示屏发展到LCD背光源、景观照明、室内装饰灯等其它领域。由于LED具有的长寿命、无污染、低功耗等特性，未来LED还将逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源。室内照明将是LED最具市场规模和发展潜力的应用。LED显示屏按颜色可分为单色、双色和全彩显示屏，LED全彩显示屏由RGB三基色LED组成，每基色具有256级灰度，可显示16777216种颜色，色彩鲜艳，图像逼真。

7.激光二极管：激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料划分，可以把激光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。常用的激光二极管有两种：PIN光电二极管。它在收到光功率产生光电流时，会带来量子噪声；雪崩光电二极管。它能够提供内部放大，比PIN光电二极管的传输距离远，但量子噪声更大。为了获得良好的信噪比，光检测器件后面须连接低噪声预放大器和主放大器。与激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长等优点，缺点是输出功率小(一般小于2mW)，线性差、单色性不好，故其在有线电视系统中的应用有很多限制，无法传输多频道和高性能模拟信号。现在，激光二极管已在计算机的光盘驱动器、激光打印机的打印头等小功率光电设备中得到了广泛的应用。

半导体激光二极管的常用参数有：波长、阈值电流Ith、工作电流Iop、垂直发散角、水平发散角和监控电流Im等。

二极管的检测方法

1. 普通二极管的检测

二极管的极性通常在管壳上有标记，用万用表电阻档测量其正反向电阻也可判断极性。将万用表置于R×100或R×1k(Ω)挡(R×1挡电流太大，用R×10k(Ω)挡电压太高，都易损坏管子)，测试示意图如图4

图4 万用表简易测试二极管示意图，其中(a)电阻小；(b)电阻大

2.普通发光二极管的检测

(1)万用表检测法。利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ，反向电阻的值为∝。如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，无法看到发光情况。

(2)外接电源测量。用3V稳压源或干电池及万用表可以较准确地测量发光二极管的光、电特性。为此可按图5所示连接电路即可。如果测得VF在1.4V～3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF≈3V，且不发光，说明发光管已坏。

图5外接电源测量发光二极管特性

3.红外发光二极管的检测

由于红外发光二极管发射的光为1μm～3μm的红外光，人眼看不到。通常红外发光二极管发射功率只有几mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.3μV～2.5V。因红外发光二极管发出的为不可见光，上述方法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定发光情况。为此，最好准备一只光敏器件作为接收器。

二极管的选用

在电路设计中选用二极管时需考虑如下主要参数：

1.正向特性

当两端的正向电压很小时，二极管不导通处于“死区”状态；当正向电压超过一定数值后，二极管开始导通，且电流随电压的不断升高而增大。不同材料的二极管，起始电压不同，硅管约为0.5V～0.7V，锗管为0.1V～0.3V。

2.反向特性

二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增大时，反向电流基本保持不变。不同材料的二极管，反向电流不同，硅管约为1微安到几十微安，锗管则可高达数百微安。反向电流受温度变化的影响较大，锗管的稳定性比硅管略差。

3.击穿特性

当反向电压增加到一定数值时，反向电流急剧增大，称为反向击穿。反向击穿电压值因器件结构、工艺和材料的差异差别很大，从1伏到几百伏，甚至高达数千伏。

4.频率特性

由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路，导致二极管失去单向导电性而不能工作。PN结面积越大，结电容也越大，在高频情况下二极管越不能工作。

普通二极管主要用于整流、检波、混频、开关、稳压等，在许多电路中起着重要作用。特殊二极管如发光二极管因技术的进步，极大地拓展了其应用领域。从数量上看，凭借国内强大的制造能力，指示灯依旧是LED的应用大户，用量占据LED市场消耗量的半壁江山。但由于指示灯多为普通亮度LED，经过多年的发展产量很大且早已形成买方市场，指示灯领域的LED市场规模增长缓慢。在节能减排的大环境下，各国政府纷纷出台政策推进LED灯进入普通照明灯具市场，室内照明将成为LED最具发展潜力的应用。此外，显示屏市场、数码设备的背光源市场以及汽车车灯市场等在可以预见的未来将成为LED的主要应用市场。

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