1.2 二极管及其特性

1.2.1 二极管的制造工艺

制造二极管主要是制造一个PN结。它是采用某种工艺方法，将同一块半导体制成P型和N型两部分，在P、N型半导体的结合面就形成PN结。但不能将一块P型半导体和一块N型半导体黏合在一起的接触面看成是PN结。

一般采用掺杂补偿制造工艺能获得PN结，常用的方法有合金法、电形成法和平面扩散法。

1.用合金法制造二极管

在N型硅上放一块铝，然后在高温炉中加热至680～700℃，铝和硅便在接触处相互熔合、渗透形成合金，如图1-11（a）、（b）所示。经这样烧结，熔合了3 价铝的那部分N型硅就转变为P型硅，于是在P型硅和N型硅交界处就取得PN结。采用这种合金法时，如果精确掌握烧结温度与时间，可控制掺杂铝的补偿浓度，从而制取需要的PN结。

用合金法制得PN结，其交界处是一个近似球台的“面”，而不是一“点”。所以合金法制得的PN结允许通过较大电流，一般为几百毫安至几十安。

实际用合金法制得的PN结（包括N型硅片）体积还不足1mm3，如图1-11（c）所示。因此需在P区引出正电极和在N区引出负电极，再用树脂材料封装，并在表面印刷型号标记，才成为如图1-11（d）所示的二极管产品。制造整流二极管、稳压二极管通常采用合金法。

2.用电形成法制造二极管

在N型锗片上放一根很细的镓合金丝，并保持良好接触，然后通入脉冲电流的一个脉冲，保证电流在几安内，通电时间为0.1～0.4s。在脉冲电流作用下加热，合金丝尖端就熔化掺入N型锗片中。熔入3价镓的那部分N型锗就转变成P型锗，从而制得PN结。因金属丝很细，形成PN结的面积很小，称为点接触型PN结。这类PN结通过的电流一般较小，多在几十毫安以下。制造如图1-12所示的2AP9型检波二极管通常采用电形成法。

3.用平面扩散法制造二极管

平面扩散法制取PN结是通过图1-13所示的六道工艺过程完成的。

❶ 衬底研磨打光：衬底是掺杂浓度很高的N型硅片，用N+表示，其电阻率很低。研磨打光是使其表面光滑平整。

❷ 外延N层：把SiCl4置于高温下进行氢还原，或使硅烷SiH4热分解，在底衬上生成一层约几微米厚的晶体结构相同的高温N型外延层。外延层电阻率很高，可以提高PN结的击穿电压和减小结电容。

❸ 氧化：让硅片在高温下与氧气反应，使N型硅片上表面生成一层二氧化硅保护膜。

❹ 光刻窗口：利用照相技术把需要进行掺杂补偿区域（窗口）的二氧化硅保护膜除掉。

❺ 硼扩散、氧化：将经上述工序的硅片放入一只高温石英管内，再在管内放入掺杂的固态三氧化二硼或液态硼酸三甲脂，然后加热使掺杂物产生蒸气。蒸气便通过窗口进入N型硅表面起化学反应，使硼原子不断地向N型外延层中扩散。经过一段时间，窗口下面的一层N型硅就转化为P型硅，并产生PN结。再在高温下氧化，形成二氧化硅把窗口封住。

❻ 光刻、蒸铝、焊电极：进行光刻，把焊电极处保护膜脱去，接着在真空容器中加热铝，使铝升华为蒸气，沉积到P区表面形成铝膜，然后从铝膜上焊出铝电极。

平面扩散法能使制成的PN结外面有一层二氧化硅薄膜，保护PN结不受外部水汽和污物沾染，性能稳定。开关二极管一般采用这种工艺生产。此外，平面工艺采用光刻技术，可在一块硅片上同时制造上千只管芯，管子参数一致性较好，生产效率也高。

1.2.2 二极管的图形与符号

1.二极管的封装形式

图1-14是常见的几种二极管，它们都由一个PN结和两个电极（引脚）构成。由于PN结的体积微小脆弱，既不具备机械强度，也无法手工操作使用。因此，制造二极管必须对PN结进行封装。

二极管封装形式有多种。例如，图1-11（c）中PN结安装电极后，放置在模具中，再灌注树脂类绝缘材料，从而成为锥体外形，如图1-11（d）所示。二极管两端电极长度一般为28mm，直径为0.6mm；二极管体部长为11mm，直径为4.5mm。

再如，图1-12（a）采用电形成法制成PN结后，在镓丝上焊接一根直径为0.6mm、长为34mm的电极，在N型锗片上也引出电极，然后采用吹制工艺，将PN结固定于直径为4.5mm、长为10mm的真空玻璃管中，使其成为如图1-12（b）所示的具有一定机械强度的二极管。

2.二极管的外形特点

PN结具有单向导电性，也就决定了二极管只能单向导通电流。当PN结加正向电压时，能导通正向电流，正向电流是从P区经PN结流向N区，P区电极就是二极管正极，N区电极就是二极管负极。为了实际中便于识别使用，每个二极管的正、负极性都有其外形特征。

对于锥形二极管，锥端表示负极，圆面端表示正极，如图1-14（b）、（c）所示。对于圆柱形二极管，常在外表一端用色点或色环表示负极，另一端就是正极，如图1-14（a）、（d）、（e）所示。有的二极管是在外表印刷二极管符号标明其正负极，如图1-14（f）所示。对于球冠形二极管，常用黑点标记负极，另一电极则是正极；有的则无色点标记，但两引脚一长一短，长脚表示正极，短脚表示负极，如图1-14（g）所示。有些大电流二极管采用金属封装，便于用螺丝固定于金属片上，以利于散热，如图1-14（h）所示。还有的将两个二极管对接后封装成如图1-14（i）所示形式，常称之为半桥式整流二极管或简称半整流桥，其外表标记有“+”、“−”符号，以便于辨认。还有的将4 个二极管连接成桥式电路后封装为图1-14（j）所示的形式，常称之桥式整流二极管，简称桥式整流器或全桥整流管。它有4 个引脚，其中两个引脚上标记有“～”符号，用于连接交流电，另外两个引脚上标记有“+”、“−”符号，表示它的正负极。

3.二极管的图形符号

二极管的种类较多，为了绘制电路图时便于描述，人为地规定了二极管的图形符号。对不同种类的二极管，规定了不同的符号，如图1-15所示。

图1-15（a）是普通二极管的图形符号，以短横线表示N区，用三角形表示P区，三角形与横线的接触点表示PN结，上端长竖线表示负极，下端长竖线表示正极。图1-15（b）是稳压二极管图形符号，用横折线表示PN结N区。图1-15（c）是变容二极管图形符号，在普通二极管符号旁加一个小电容符号。图1-15（d）是隧道二极管图形符号，在普通二极管符号旁加一个小隧道符号。图1-15（e）是恒流二极管图形符号，用圆圈取代普通二极管中的三角形，表示通过二极管的电流恒定不变。图1-15（f）是在四边棱形中间画一个普通二极管符号，指明它是由4个二极管构成的整流桥，同时由二极管符号指明整流桥的极性。图1-15（g）是双向触发二极管符号，它表明该管是由两个反向的二极管构成的。图1-15（h）是双向稳压二极管符号，它表明该管是由两个反向的稳压二极管构成的。二极管的文字符号用VD表示。

1.2.3 二极管的型号命名与标识

1.我国二极管型号的命名方法

我国标准规定，二极管型号命名由五个部分的数字或字母组成（有的省略掉第五部分）。各部分的意义如图1-16所示，各部分所用数字或字母的含义见表1-2。

2.二极管的型号标记及辨认

二极管制成后，外表都要标记型号与极性，便于实际中选用。

例如，图1-14（a）所示二极管，上面标记有型号“2AP1”和一个白色点。在型号标记中，2表示二极管；A表示N型锗材料；P表示普通二极管；1表示序号（对应某些参数）。在极性标记中，用右边白色点标明二极管的负极，左边则为二极管的正极。

又如，图1-14（c）所示二极管，是在一个锥形体上标记有型号“2CZ82B”。其型号中的2 表示二极管；C表示N型硅材料；Z表示整流二极管；82 表示序号（对应某些参数），B表示规格号。锥形指明二极管的极性，即左边为二极管正极，右边为二极管负极。

再如，图1-14（e）所示二极管，上面标有型号“2CN2A”和一个白色环。在型号标记中，2表示二极管；C表示N型硅材料；N表示阻尼二极管；2表示序号；A表示规格号。在极性标记上，用右边白色环标明二极管负极，左边则为二极管正极。

1.2.4 二极管的特性

1.二极管的单向导电特性

二极管由PN结构成，二极管的导电特性决定于PN结的特性，下面分两种情况讨论。

（1）二极管外加正向电压的导电情况

二极管外加正向电压也叫正向偏置电压，电路如图1-17（a）所示，外加电压实际加到二极管内部的PN结上，等效为如图1-17（b）所示。从图1-17（b）中可看出，PN结上由E形成外加电场与内部电场方向相反。

在外电场作用下，电源正极便输出正电荷经P区与PN结中的负电荷复合，同时电源负极的负电荷经N区也与PN结中的正电荷复合，于是使空间电荷区的阻挡层逐渐变窄，直至最后消失。这样，二极管便能导通电流。其电流回路为：E+→I→P区→空间电荷区→空间电荷区→N区→R→E−。

（2）二极管外加反向电压的导电情况

二极管外加反向电压的电路如图1-18（a）所示，它等效为图1-18（b）中PN结加上反向电压。这时，PN结上由E形成外加电场与内部电场方向相同。

在外电场作用下，电源负极输出的负电荷将与P区正电荷复合掉，同时电源正极输出的正电荷将与N区负电荷复合掉，于是使PN结中空间电荷区的阻挡层变宽，阻止电流通过。

综上所述，二极管加正偏置电压时能够导通电流，加反向电压时难以导通电流。这表明二极管具有单向导电特性。

2.二极管的伏安特性曲线

二极管特性包括正向特性和反向特性两个方面，可通过一条曲线来综述。

（1）描绘二极管的特性曲线

把2CZ52D型二极管VD、电阻R、可调电阻RP、电压表Ⓥ及电流表◯mA按如图1-19（a）所示连接起来。电池E便对2CZ52D型二极管加上了正向偏置电压。

当将RP的触点向左端调动时，分别从Ⓥ、上可看出，二极管加的正偏置电压变高，导通正向电流变大；当将RP的触点向右端调动时，二极管加的电压变低，导通电流变小。

当电压低于0.75V时，导通电流为0mA；当电压为1.2V时，电流为30mA；电压为1.5V时，电流为60mA，……。若以这些正向电压和正向电流的对应数据作为坐标点描画在如图1-19（c）所示的I–U 坐标中，就成为图中的C（0.75，0）、B（1.2，30）、A（1.5，60）点。如果将A、B、C……点连成一条曲线，就是2CZ52D型二极管的正向特性曲线。

再按如图1-19（b）所示连接电路，给二极管加反向电压。当调RP使反向电压从0→200V逐渐增大时，流过VD的反向电流几乎为0。继续调高反向电压达到200V时，反向电流开始明显增大。

当反向电压为210V时，反向电流为2.5μA；当反向电压为220V时，反向电流为5μA；当反向电压为235V时，反向电流为10μA；……。以这些反向电压和反向电流的对应数据作为坐标点描画在如图1-19（c）所示的I–U坐标中，就成为图中的D（-210，-2.5）、E（-220，-5）、F（-235，-10）点。若将D、E、F……点连成一条曲线，就是2CZ52D型二极管的反向特性曲线。

（2）二极管特性曲线的意义

图1-19（c）中A、B、C、D、E、F……点连成的整条曲线，称为二极管的特性曲线，它完整地描述了2CZ52D型二极管的以下特性。

❶ 从图1-19（c）中特性曲线看，当正向电压从0→0.75V增大时，二极管基本没有电流通过，称为截止。只有正向电压达到或大于0.7V时，二极管才开始导通电流，它揭示了外加电压必须克服PN结的内电场才能导通正向电流。常把二极管开始导通正向电流时所加的电压叫做导通电压。2CZ52D型二极管的导通电压是0.75V。

不同种类二极管的导通电压不同。硅二极管的导通电压为0.6～0.8V，锗二极管的导通电压为0.2～0.3V。

❷ 从特性曲线还可看出，二极管正向电压较高时，正向电流大些；正向电压较低时，正向电流就小些。二极管在实际应用中导通电流与串联负载电阻有关。

❸ 从特性曲线看，外加反向电压从0 增大到200V时，二极管中基本没有反向电流通过，这时二极管处于截止状态。

❹ 反向电压大于200V时，二极管开始导通反向电流且明显增大，这个电流称为二极管的反向电流，是衡量二极管质量的一项重要指标参数。

❺ 从完整特性曲线看，二极管正向电压达到导通电压时，二极管才导通电流。加反向电压时，一般认为二极管不导通电流。二极管实际是应用单向导电性，因此，一般不加很高反向电压，以保证二极管不导通反向电流，也要求反向电流越小越好。

二极管种类较多，不同型号二极管的特性曲线各不相同。图1-19（c）中曲线表明2CZ52D型二极管特性为：导通电压是0.75V；不能在反向电压大于200V的条件下使用。