半导体器件是组成电子设备的核心部件，常用的有半导体二极管、半导体三极管、集成电路等。半导体器件由于具有体积小、重量轻；供电电压低、功耗小；寿命长、可靠性高；批量生产时价格低廉等优点，广泛用于自动化控制、计算机、家电、通信、航天等领域。但其特性受温度变化影响大，需要外部器件来提高其稳定性。在电源电压过高或焊接时过度加热的情况下，很容易损坏。
半导体二极管
半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管，是最简单的半导体器件，在电子电路中用于检波、限幅、整流、开关、稳压、电平显示等。二极管的文字符号是大写字母V或VD，常用的电路图形符号如图4.1所示。
图4.1 常用的二极管图形符号
二极管的结构及特点
1．半导体基础知识
（1）半导体的特性
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，制造半导体器件最常用的材料是硅和锗。通常状态下半导体类似于绝缘体，几乎不导电。当加热或光照加强时，半导体的电阻值明显下降，导电能力类似于导体。半导体的这种特性称为热敏特性和光敏特性，可制成热敏电阻、光敏电阻、光电二极管等元件，用于实现自动测量和自动控制等。
如果在半导体中掺入少量的杂质，也会使半导体的导电能力增强。如果在半导体硅或锗中掺入少量的硼元素，由于硼原子外层电子数是3个，当硼原子与外层电子数是4个的硅或锗原子组成共价键时，自然形成一个空穴，使半导体中的空穴数增多，导电能力增强。这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体，特点是空穴为多数载流子，电子为少数载流子，主要由空穴导电。若在半导体硅或锗中掺入少量磷元素，由于磷原子外层电子数为5个，当磷原子与外层电子数是4个的硅或锗原子组成共价键时，自然多出一个电子，使半导体中的电子数增多，导电能力增强。这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体，特点是电子为多数载流子，空穴为少数载流子，主要由电子导电。P型半导体和N型半导体的导电能力虽然有所增强，但还不能满足应用要求。实际应用中，将P型半导体和N型半导体相结合，形成PN结，再制成各种半导体器件。
（2）PN结
当采用特殊的工艺把P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于多数载流子的扩散作用，在交界面将形成一层带电的区域，如图4.2所示，该区域称为PN结。
PN结外加正向（又称正向偏置，简称正偏）电压时，即P区接电源的正极，N区接电源的负极，有电流从P区通过PN结流向N区，如图4.3（a）所示。这时称PN结正向导通，流过的电流称正向电流。
PN结外加反向（又称反向偏置，简称反偏）电压时，即P区接电源的负极，N区接电源的正极，只有极微弱的电流从N区通过PN结流向P区，如图4.3（b）所示。这时称PN结反向截止，流过的电流称反向电流，一般情况下可以忽略不计。PN结的这种特性称为单向导电性。
2．二极管的结构
由一个PN结，引出两个电极，加上外壳封装，就构成一个二极管，如图4.4（a）所示。从P区引出的电极称二极管的正极，从N区引出的电极称二极管的负极。二极管正、负极与图形符号的对应关系如图4.4（b）所示。在二极管图形符号中，三角箭头表示PN结正向导通时的电流方向。由于二极管实质上是一个PN结，所以二极管具有单向导电性。
二极管的特性取决于半导体材料及生产制造工艺。二极管的主要制造工艺有点接触型和面接触型，其中：面接触型又有合金型、扩散型、平面型等。点接触型工艺制成的二极管，PN结接触面小，结电容小，工作频率高。面接触型工艺制成的二极管，PN结接触面大，可以通过较大的电流。二极管的主要结构及特点如表4.1所示。
3．常用二极管的特点
在实际应用中，二极管有多种分类方法。根据制造材料分为锗（Ge）二极管、硅（Si）二极管、磷化镓（GaP）二极管和磷砷化镓（GaAsP）二极管等；根据封装形式分为塑料封装（塑封）二极管、玻璃封装（玻封）二极管、金属封装二极管和片状二极管等；根据电流容量分为大功率二极管（5A以上）、中功率二极管（1～5A）和小功率二极管（1A以下）；根据用途分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、发光二极管、变容二极管、光敏二极管和激光二极管等。
（1）普通二极管
普通二极管有锗管和硅管两种，主要用于检波、限幅和小电流整流等，如图4.5所示。作为检波用的普通二极管，习惯上称为检波二极管，一般由锗材料采用点接触型工艺制成，常用在半导体收音机、电视机、通信等设备的小信号电路中，将高频或中频无线电信号中的低频信号取出。常用的国产检波二极管型号有2AP系列，进口的检波二极管型号有1N34、1N60等。
（2）整流二极管
整流二极管一般是硅管，通常采用面接触型工艺，主要用于电源电路中，将交流电变成直流电。在实际应用中，整流二极管又分为小功率整流二极管和大功率整流二极管。小功率整流二极管大多采用塑料封装，大功率整流二极管则采用金属封装，如图4.6所示。常用的国产整流二极管型号有2CZ11～13系列、2CZ80～86系列、2CZ55～60系列等。进口的整流二极管型号有1N40××系列、1N54××系列、1N53××系列等。
（3）稳压二极管
稳压二极管习惯上简称为稳压管，通常也是硅管，采用面接触型工艺。它利用二极管反向击穿后，在一定反向电流范围内反向电压不随反向电流变化这一特性，在电路中起稳定电压作用，如图4.7所示。在实际应用中，要求稳压二极管工作在反向击穿状态，即稳压二极管两端要加反向电压。反向电压较低时，稳压二极管截止；当反向电压达到一定数值（即稳压二极管的稳压值）时，反向电流突然增大，稳压二极管进入击穿状态，此时即使反向电流在很大范围内变化，稳压二极管两端的反向电压也保持基本不变。但反向电流增大到一定程度后，如果再增大，稳压二极管将被彻底击穿而损坏。
稳压二极管根据其封装形式可分为：玻璃封装稳压二极管、塑料封装稳压二极管和金属封装稳压二极管。塑料封装稳压二极管又有引线型和贴片式两种类型。稳压二极管根据其内部结构可分为单稳压二极管和双稳压二极管。双稳压二极管有三个电极，相当于两个稳压二极管，如图4.8所示。
常用的国产稳压二极管型号有2CW系列和2DW系列，进口的稳压二极管型号有1N46××系列、1N59××系列等。
（4）开关二极管
开关二极管既有硅管，又有锗管，在电路中用作电子开关，如图4.9所示。开关二极管除能满足普通二极管的性能指标外，还具有良好的开关特性，主要用于家用电脑、电视机、通信设备、仪器仪表的控制电路中。开关二极管分为普通开关二极管、高速开关二极管等。常用的国产普通开关二极管型号有2AK系列，高速开关二极管型号有2CK系列。进口的高速开关二极管型号有1N41××系列，如：1N4148、1N4150等；RLS系列（贴片式），如：RLS4148、RLS450等。
（5）变容二极管
变容二极管是利用PN结电容随外加反向电压变化而变化的原理制成的半导体器件，在电路中作为可变电容器，主要用于高频调谐，如图4.10所示。在实际应用中，要求变容二极管工作在反向偏置状态。当反向电压升高时，其电容量减小；反之，当反向电压降低时，其电容量增大。变容二极管的电容量，随外加反向电压的变化关系曲线如图4.11所示。
变容二极管有塑料封装、玻璃封装、金属封装和表面贴装等多种形式。常用的国产变容二极管型号有2CC系列和2CB系列。进口的变容二极管型号有1SV系列、1T系列等。
（6）发光二极管
发光二极管（简称LED）是由磷化镓或磷砷化镓的混合晶体等材料制成的，一种能直接将电能转变成光能的发光显示器件。主要应用在两个方面：一是光电控制电路，如光电开关、光电隔离、红外遥控等；二是信号状态指示和数字符号显示，如电源指示、数码显示等。当其内部有一定电流流过时，就会发光，且电流增大、亮度变亮。发光二极管可分为普通单色发光二极管、变色发光二极管、红外发光二极管等。
① 普通单色发光二极管
普通单色发光二极管的发光颜色有红色光、黄色光、橙色光、绿色光等，其特点是体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长，使用时要求串联适当的限流电阻，如图4.12所示。常用的国产普通单色发光二极管型号有BT系列、FG系列和2EF系列。
② 变色发光二极管
变色发光二极管能变换发光颜色，它实际上是由两种颜色或两种以上颜色发光二极管复合而成的，如图4.13所示。在图4.13（a）中，通过控制加在发光二极管电极上的电压，可实现红光和绿光的变换。在图4.13（b）中，通过控制红、绿、蓝3个电极上的电流，可实现不同颜色的变换。
③ 红外发光二极管
红外发光二极管又称红外线发射二极管，由砷化镓等材料制成，采用全透明、浅蓝色或黑色封装，如图4.14所示。红外发光二极管可以将电能直接转换成红外光辐射出去，主要用于各种光控和遥控发射电路中。
（7）光敏二极管
光敏二极管又称光电二极管，是一种能将光信号转变为电信号的半导体器件，管体上端或侧面有受光窗口，接收入射光照，主要用于各种控制电路中，如图4.15所示。在实际应用时，光敏二极管应反接在电路中，即外加反向工作电压，其反向电流与外加电压关系不大，只取决于入射光的强度。入射光越强，反向电流也越大。光敏二极管可分为普通光敏二极管、视觉光敏二极管和红外光敏二极管。
① 普通光敏二极管
常用的普通光敏二极管有PN结型光敏二极管和PIN结型光敏二极管两种。PN结型光敏二极管主要用于各种光电转换的自动控制仪器、近红外光自动探测器和激光接收等方面。PIN结型光敏二极管主要用于光纤通信中的光信号接收。常用的国产普通光敏二极管的型号有2CU系列、2DU系列等。
② 视觉光敏二极管
视觉光敏二极管是一种新型半导体器件，由磷砷锌化镓等材料制成，具有人眼视觉光谱特性，主要用于彩色复印机、照相机等电子设备的光电检测电路中。常用的视觉光敏二极管型号有2EU11、2EU12等。
③ 红外光敏二极管
红外光敏二极管又称红外线接收二极管，是一种特殊的PIN结型光敏二极管，可以将红外二极管发射的红外光转变为电信号，主要用于彩色电视机、空调器等电子产品的遥控接收系统中。常用的红外光敏二极管的型号有RPM-301B。
（8）激光二极管
激光二极管是由镓铝砷等材料制成的，一种能将电信号转变成近红外激光的半导体器件。主要用于电脑光驱、激光打印机、CD激光唱机等激光产品中，如图4.16所示。
在实际应用中，通常将激光二极管和光敏二极管封装在同一个管壳内，通过光敏二极管来检测激光二极管的激光强度，以便相关电路对激光二极管的发射功率进行自动控制。常用的激光二极管型号有RLD系列和SLD系列。
更多内容请参阅 卜锡滨. 电路与模拟电子技术. 北京：人民邮电出版社，2008.
