[激光原理与应用-66]：激光器-器件 - 二极管

Posted 2023-01-20 文火冰糖的硅基工坊

第1章 二级管的基本原理

1.1 原理

现在的电子产品中，元件应用最多的是半导体材料。

在集成电路中，也是应用的半导体单晶硅作为基底，通过离子注入技术而添加了硼和磷元素从而构成数以亿计的半导体晶体管。

对于半导体元件来说，发挥作用的是PN结。在二极管中，由于PN结的存在，从而有了（1）单向导通特性和（2）反向击穿时的稳压特性。

二极管中的PN结，是由于半导体硅内部掺加了硼和磷之后形成的内电场，这个内电场对外部施加电压有阻碍的作用。

我们知道，条形磁铁的磁极有方向。对于二极管的PN结区域来说，和条形磁铁的磁场有些类似，也有一个静止的电场存在。

二极管的所有功能，都是因为PN结处的内电场方向起到的作用，从而阻碍和限制电流，并且电压增大后反向击穿时限制电压继续升高。在没有反向击穿前，电压是可以持续增大。

对于电子产品来说，原理最根本的是半导体二极管，而二极管最主要的是看PN结，PN结是内电场起到的作用。

无论多么复杂的集成电路，实现逻辑功能的，都是有晶体管PN结的开关作用来实现的。

晶体二极管、三极管对半导体的工作原理得到完整的体现，它们是组成逻辑电路的基础。

上面时单晶硅的图片，是现在集成电路的基础。硅是现在应用最多的半导体材料。

上面是二极管图片，二极管内部有一个自带的电场，这个微弱的电场存在一个平衡。

没有击穿前，相当于一个电阻值接近无穷大的电阻，电流很小，电压可以持续增高。

没有击穿后，相当于一个电阻值很小的电阻，电流会很大，二极管两端的电压很小。

这是半导体二极管的伏安特性曲线，体现二极管的正向导通和反向击穿时的稳压特性。

1.2 特性1：正向导通，反而截止

（1）二极管工作在正向导通区域时，能够对交流电整流，让正向电流通过，反向电流截止。

上面是交流电的半波整流电路，由于二极管只允许正向电流通过，所以输出的是波形的正半周。实际应用中副感线圈产生的电压较低，二极管阻止反向电流，不会损坏电路元件。

上面是交流电桥式全波整流电路，能够把交变电压转变成单向的波动电流。上图输出的脉动电压经RC滤波器后得到直流电压，就是直流电源的原理。

除了半波、全波整流外，二极管还用在检波电路中。在收音机收到电磁波信号后，信号只能正半周（负半周）通过二极管，再有RC滤波器除去高频成分，输出的就是调制在载波上的音频信号，二极管起到检波的作用。

根据二极管的单向导通特性，也应用到门电路中。逻辑门电路中的“与门”和“或门”都是并联两个二极管，实现了逻辑功能。

1.3 特性2：稳压

（2）二极管工作于反向击穿状态时，具有稳定的端电压。

与刚才提到二极管工作不同的是电流的方向是反向的，二极管反向击穿状态下发挥稳压作用。

上图中的二极管并联在电路中，如果电压持续升高，会反向击穿，从而保持稳定的端电压。

以上种种应用，都是根据二极管自身的伏安特性来实现。其根本是二极管PN结的内电场的作用，实现整流、检波和稳压等功能。

PN结在二极管中体现了部分功能，另外功率放大和开关电路中也用到PN结。半导体元件的功能基本上都是通过PN结来实现，现在所应用的大多是半导体硅作为基底。

现在电子产品广泛应用与工业设备和人们生活中，对工业更新很重要。工业不断向自动化和智能化发展，电子产品也得到更多的应用。

1.4 二极管的测量

将数字万用表调到二极管挡，也就是峰鸣挡，红黑表笔同时接二极管的两端，

如果万用表显示500多，那么红表笔接的是二极管的正极，黑表笔接的是二极管的负极，

如果万用表显示1，那么红表笔接的是二极管的负极，黑表笔接的是二极管的正极。

第2章 二极管的种类

二极管的种类有很多种，比如，稳压二极管，发光二极管，光电二极管，变容二极管等，它们的用途也不同。

2.1 普通二极管

二极管是最简单的半导体器件，将P型半导体和N型半导体结合在一起，在结合处形成一个薄层，就是PN结，而一个PN结就可以制作一只二极管。

二极管加正向电压就会导通，反向电压就会截止，而正向导通的前提是电压要高于二极管的死区电压，硅管的死区电压是0.5V，锗管的死区电压是0.2V。

普通二极管管用于单向导电和整流：

2.2 稳压二极管：

稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。

利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。

此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。

稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。

稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。

2.3 发光二极管（LED）

光电二极管是一种能将接收到的光信号转换成电信号输出的二极管。

发光二极管是用磷化镓或砷化镓等半导体材料制成，它能直接将电能转换成光能的器件。

它于普通二极管一样是由PN结构成，它工作在正偏置状态。

电流通过发光二极管时，它两端有一个“管压降”：通常管压降在1.7-3.5V左右，

比如 红色发光二极管的管压降为1.7v左右，

白色跟绿色的为2v左右，

紫色蓝色的为3.5v左右，

黄色的为1.8v左右。

一般高亮度发光二极管的工作电流从10~30ma不等，主要是是看管子的制作工艺和质量，好的管子工作电流10ma左右，差一点管子30~40ma，电流越大亮度越高，但管子易老化，建议选择20ma为佳。

一个普通的发光二极管的正向电阻阻值为几十至200kΩ（根据型号不同有所不同），

反向电阻的值为无穷大。

光电二极管跟普通二极管一样，具有单向导电性，它用于制造光敏传感器，光电控制器等。

如果电压5V, 串联电阻通常为几百欧到1K.

如果电压3.3V， 串联电阻电阻通常几十欧到几百欧。

如果电压是220V， 串联电阻110K以上。

确保电流都是20毫安左右。

2.4 变容二极管 ：

变容二极管像稳压二极管一样，工作在反向偏置状态。变容二极管的电容量为pf级。

变容二极管(Varactor Diodes)又称"可变电抗二极管"，是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。反偏电压增大时结电容减小、反之结电容增大，变容二极管的电容量一般较小，其最大值为几十pF到几百pF，最大电容与最小电容之比约为5:1。它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等、例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容。

2.5 光电二极管

光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。

但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。

不同波长的光，需要选择对应波长段的光电二极管，确保获得尽可能大的电流信号。

如下时不同材料的光电二极管的输出电流与波长之间的关系图：

（1）光电二极管LSIPD-L3：

纵轴：灵敏度，反应了每毫瓦功率的光信号产生多少

横轴：光波的波长。

材料：锗管

适合：

• 热辐射光信号（1100nm-1600nm）

（2）光电二极管LSSPD-U3.2

纵轴：灵敏度，反应了每毫瓦功率的光信号产生多少

横轴：光波的波长。

材料：硅管

适合：

• 等离子体光辐射（420nm）

• 焊接光反射（1080nm）

备注：

光敏二极管有五种特性：光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性以及频率响应特性，都影响光敏二极管的输出电流。这些特性最终会影响信号的波形，因此光敏二极管器件的选型和软件的缺陷分析算法要充分考虑到这些特性。