2.1.4 半导体二极管
1.二极管的结构
半导体二极管是由PN结加上相应的电极引线和管壳做成的，其结构如图2.1.4（a）所示。二极管符号如图2.1.4（b）所示，箭头方向表示正向电流方向。由P区引出的电极称为正极（或阳极），由N区引出的电极称为负极（或阴极）。
图2.1.4 二极管
（a）二极管的结构示意图；（b）二极管符号
二极管按结构可分为点接触型和面接触型两种。点接触型二极管是由一根很细的金属触丝和一块N型半导体的表面接触在一起构成PN结，其PN结面积很小，所以不能加大电流和反向电压，但是高频特性好，适用于高频和小功率工作。用于高频电路的检波二极管，一般选用这种类型。面接触型二极管是由合金法或扩散法做成的，其PN结面积很大，故可以加较大的电流，但极间电容（即结电容）也较大，所以工作频率较低，一般用来整流。图2.1.5所示为两种类型二极管的结构。
2.伏安特性
二极管内部为一个PN结，因此它的特性就是PN结的特性，即为单向导电性。二极管的伏安特性是指二极管两端的电压和通过二极管的电流之间的关系，画出图形就是二极管的伏安特性曲线，如图2.1.6所示。
图2.1.5 两种类型二极管的结构
（a）点接触型；（b）面接触型
图2.1.6 二极管的伏安特性曲线
1）正向特性
当外加正向电压（即二极管的阳极接高电位，二极管的阴极接低电位）小于一定数值时，外电场不能抵消内电场对扩散运动的阻力，这时正向电流很小或几乎为零。这个一定数值的电压称为死区电压，死区电压的大小与管子的材料及环境温度有关，当温度升高时，正向特性曲线将向左移动。硅管的死区电压是0.5 V，锗管的死区电压是0.2 V。
当正向电压大于死区电压后，电流开始明显增大。二极管这时工作在正向导通区，其正向压降基本为一定值，对于硅管正向压降为0.7 V，锗管正向压降为0.2 V。如忽略正向压降，认为二极管的正向压降为零，具有这样特性的二极管称为理想二极管，其在正向导通区的等效模型为一闭合的开关。
2）反向特性
当给二极管加反向电压（即二极管的阳极接低电位，二极管的阴极接高电位），二极管只有很小的反向电流（反向电流基本上维持一定大小，和反向电压的数值没有关系，因此也称其为反向饱和电流），这是由少数载流子的漂移运动形成的，这时候称二极管工作在反向截止区。如忽略反向电流，认为二极管的反向电流为零，具有这样特性的二极管称为理想二极管，其在反向截止区的等效模型相当于打开的开关。二极管的反向电流越小，说明其反向电阻越大，其反向截止性能越好。
3）反向击穿特性
当外加反向电压超出一定范围，反向电流突然增大，二极管这时工作在反向击穿区，发生击穿所需的反向电压称为反向击穿电压。反向击穿分为电击穿（包括齐纳击穿和雪崩击穿）和热击穿。
齐纳击穿：当PN结外加反向电压时，价电子会从外电场获得能量，当其具有的能量达到一定大小后就要挣脱原子核的束缚，成为自由电子。也就是当外电场达到一定大小后，在外电场的作用下，把共价键上的电子从共价键上拉出来。当大量的价电子被从共价键上拉出来后，自然使载流子的数量急剧增加，从宏观上表现就是反向电流急剧增大。这种在外电场的作用下把共价键上的电子拉出来而造成反向电流急剧增大的现象称为齐纳击穿。
雪崩击穿：被从共价键上拉出来的电子因其具有很大的能量，所以在电场中具有很高的速度。这些高速运动的电子会撞击其他原子并把其能量传递给被撞击的原子的价电子，结果使得这些价电子也脱离原子核的束缚，成为高速运动的电子，它们又会去撞击其他原子，这样不断进行下去，就像滚雪球一样，自由电子越来越多，这也会使反向电流急剧增大，这种情况称为雪崩击穿。
无论是齐纳击穿还是雪崩击穿，均不能造成二极管的永久损坏，即属于电击穿方式，只要去掉反向电压，二极管仍能恢复正常工作。但是制造二极管的材料总是有一定电阻的，大量高速运动的电子通过二极管，就如同很大的电流通过电阻一样将产生大量的热，这些热量若不能及时散发出去就会造成材料温度升高，最后出现化学变化，也就是热击穿。一旦出现热击穿，就再也不能恢复原来的性能。因而应避免二极管外加的反向电压过高。
3.主要参数
二极管的特性除了用伏安特性曲线表示外，还可用以下一些数据来说明，即二极管的参数。以下为常见的几个参数：
1）最大整流电流IOM
IOM是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向平均电流值，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。因为电流通过管子时会使管芯发热、温度上升，温度超过容许限度（硅管为141℃左右，锗管为90℃左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。例如，常用的IN4001～IN4007型锗二极管的额定正向工作电流为1 A。
2）最高反向电压URM
加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值，即保证二极管不被击穿而给出的最高反向工作电压，一般为击穿电压的1／2～2／3。例如，IN4001二极管反向耐压为50 V，IN4007反向耐压为1 000 V。
3）最大反向电流IRM
IRM是指给二极管加最大反向电压时的反向电流值。反向电流大，说明管子的单向导电性能差，并且受温度的影响大。硅管的反向电流一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。
在使用二极管时，要根据管子的参数去选择，既要使管子能得到充分利用，又要保证管子能够安全工作。此外，还要注意通过较大电流的二极管一般都需要加散热器，散热器的面积必须符合要求，否则也会损坏二极管。