從這一部分開始,內容的難度開始加大,下面一起來看一下二極管都有哪些知識點

1. 半導體基本知識

本徵半導體

本徵半導體是一種完全純淨、結構完整的半導體晶體。

半導體的導電性

根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。

典型的半導體有硅(Si) 和鍺(Ge) 以及砷化鎵(GaAs)等。

在室溫（300K）下，當被束縛的價電子獲得足夠的隨機熱振動能量而掙脫共價鍵束縛成爲自由電子時（本徵激發），半導體便具備了一定的導電能力。

但與良導體相比，本徵硅晶體內自由電子數量較少，因而其導電性能遠不及導體。

空穴

空穴就是價電子掙脫束縛成爲自由電子後，共價鍵中留下的空位。

因爲空穴表示共價鍵中失去了一個帶負電荷的電子，所以認爲其帶有與電子電荷等量的正電荷。

空穴也可以移動，它實際上反映了受束縛的價電子的移動，只是移動方向與價電子移動方向相反。

可以用空穴移動產生的電流來代表價電子移動產生的電流。

空穴的出現是半導體區別於導體的一個重要特點。

在半導體中這種參與導電的粒子統稱爲載流子

載流子的產生與複合

載流子——可以自由移動的帶電粒子。

自由電子和空穴都是載流子

本徵激發產生的自由電子和空穴總是成對出現的。

自由電子與空穴相遇時，兩者同時消失，稱爲自由電子與空穴的複合。

外部環境不變的情況下，載流子的產生與複合達到動態平衡。

當溫度升高時，將產生更多的自由電子和空穴，意味着載流子的濃度升高，晶體的導電能力也會增強。即本徵半導體的電導率將隨溫度的升高而增加。

本徵半導體中載流子的濃度仍然很低，導電能力與所期望的仍然相差很遠。
而且導電性能受溫度的影響嚴重，很難滿足電路正常工作的要求。

實際的半導體器件，都是通過在本徵半導體中，摻入一定濃度的雜質原子，來解決這個問題的。

雜質半導體

在本徵半導體中摻入某些微量元素作爲雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本徵半導體稱爲雜質半導體。

摻入一定濃度的三價雜質元素，就會產生一定濃度的空穴，但並不會增加自由電子的濃度。

N型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。
P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。

P型半導體和N型半導體的使命是構成PN結

P型半導體

因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴

空穴主要由摻雜引起，決定着半導體的導電性能，由於它帶有正電荷，取英文單詞Positive首字母命名,故稱爲P型半導體。

在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數載流子，由熱激發形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成爲負離子。三價雜質因而也稱爲受主雜質。

N型半導體

摻入一定濃度的五價雜質元素，就會產生一定濃度的自由電子，但並不增加空穴濃度。

這種類型的半導體的導電能力，主要取決於帶負電荷的自由電子，稱爲N型半導體即以Negative首字母N命名。

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多餘的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；
它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子, 由熱激發形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成爲正離子，因此五價雜質原子也稱爲施主雜質 。

摻入雜質對本徵半導體的導電性有很大的影響，以下是一組典型數據:

2. PN結的形成及特性

PN結的形成

載流子的漂移與擴散

漂移運動：
在電場作用下引起的載流子運動
擴散運動：
由載流子濃度差引起的載流子運動

PN結的形成

顧名思義,PN結一定包含P型和可N型兩種類型的半導體

當在一塊半導體材料的左側摻入3價雜質元素時,便形成了P型區
而在一塊半導體材料的右側摻入5價雜質元素時,便形成了N型區

整個半導體仍然是電中性的。實際上，半導體中還含有數量更多的共價鍵齊全的硅原子，不過它們對PN結的形成不產生影響。

在一塊本徵半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

最後,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡 :

其中,這個內電場就是所謂的PN結,也稱爲空間電荷區、耗盡層、勢壘區:

PN結的特性

PN 結的單向導電性

外加正向電壓

當外加電壓使PN結中P區的電位高於N區的電位，稱爲加正向電壓，簡稱正偏；反之稱爲加反向電壓簡稱反偏。

迴路中產生由多數載流子形成的擴散電流，稱爲正向電流:

外加正向電壓的作用:

削弱了內電場的作用，PN 結電阻減小
有利於多數載流子的擴散運動

外加反向電壓

由於少數載流子的數量有限,所以在反向電壓增加時,反向電流的增加並不明顯,而是趨於穩定,這時的電流也稱爲反向飽和電流:

換句話說,在一定的溫度條件下，由本徵激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恆定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱爲反向飽和電流。

PN結正向偏置時(加正向電壓時)，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流。
PN結反向偏置時(加反向電壓時)，呈現高電阻，只有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

PN 結的I−V特性

對這個方程式進一步分析,可以看出:

如果PN結加正向電壓,並且正向電壓 $V_D$ 比 $V_T$ 大幾倍時,那麼括號中的指數項就遠大於1,電流 $i_D$ 與 $V_D$ 成指數關係
當PN結加反向電壓時, $V_D$ 是負值,如果它的絕對值比 $V_T$ 大幾倍,那麼指數項就趨近於零,電流 $i_D$ 就約等於負的 $I_s$

也就是說,當溫度一定時,反向電流基本上是個常數,幾乎不隨外加反向電壓變化

需要注意的是,這個指數方程僅僅描述了PN結的正、反兩種偏置狀態,並不包括接下來要說的反向擊穿狀態

PN 結的反向擊穿和電容效應

PN 結的反向擊穿

實際上,PN結的反向電壓不能無限制地增加,當反向電壓超過一定值時,反向電流會突然增加,意味着PN結被反向擊穿了:

發生擊穿所需要的電壓稱爲反向擊穿電壓,PN結反向擊穿後,電流很大,升溫很快,容易燒燬PN結

原因最終都是破壞了硅原子中共價鍵的束縛,使自由電子空穴對急劇增加造成的

PN結反向擊穿後,如果反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結的耗散功率,那麼這種擊穿就是可逆的,稱爲電擊穿,當反向電壓降低後,PN結仍然可以回到截止狀態;
如果反向電流和反向電壓的乘積超過了PN結的耗散功率,那麼PN結就會因爲過熱而被燒燬,這就是熱擊穿

電擊穿是可以利用的,而熱擊穿是要避免的

PN 結的電容效應

PN結的電容效應直接影響半導體器件的高頻特性和開關特性。

擴散電容

外加電壓變化
擴散到對方區域,在靠近PN結附近累積的載流子濃度發生變化
等效於電容充放電

勢壘電容

外加電壓變化
離子層厚薄變化
等效於電容充放電

3. 二極管及其簡化模型

二極管是最簡單的半導體器件,實際上,半導體二極管內就是一個PN結，所以可以將二極管看作是PN結的物化器件。因此，二極管一定會表現出PN結具有的各種特性。

二極管的I-V特性

這是典型的硅極管的電流電壓關係曲線:

二極管的主要參數

最大整流電流 $I_F$
二極管長時間工作時，允許，通過的最大正向平均電流。
反向擊穿電壓 $V_{BR}$
二極管反向擊穿時的電壓值。
反向電流 $I_R$
二極管工作在反向截止狀態時的電流。
極間電容 $C_d$
主要反映了二極管PN結的電容效應。這個參數與PN結面積成正比。
反向恢復時間 $T_{RR}$
二極管在導通和截止兩種狀態之間轉換的時間

二極管模型

大信號模型

二極管在大電壓、大電流下工作時的等效模型,而且只反映了二極管的單向導電性,不包括反向擊穿特性

應用這些模型分析二極管電路時,關鍵是判別二極管的導通與截止

理想模型

在二極管特進曲線座標系裏:

用一條與縱軸正半軸重合的直線,描述二極管的正偏時的電壓電流關係
用一條與橫軸負半軸重合的水平線,描述二極管反偏時的電流電壓關係

這便是二極管的理想模型:

恆壓降模型

將理想模型的正向導通垂線右移到指數曲線的位置,就是恆壓降模型:

這個模型意味着,正向電壓必須超過一定值後,二極管才能導通,否則二極管是截止的

而且二極管導通後,管壓降是一定的

折線模型

將恆壓降模型的垂線傾斜,儘可能與指數曲線重合,便成爲折線模型了:

這段斜線的斜率相當於一個電導,它的導數就是電阻:

顯然,折線模型的精度更高,但相對來說更復雜一些

小信號模型

當二極管的電壓和電流只在小範圍內變化時,也可以建立模型,這時的模型稱爲小信號模型

例如二極管工作時,如果電壓電流以Q點爲中心,只在Q一撇和Q兩撇之間變化,那麼就可以用過Q點的切線代替Q一撇和Q兩撇之間的指數曲線,這條切線就是二極管的線性小信號模型:

電導的倒數就是小信號模型的電阻rd:

4. 二極管基本電路

單向導電性是二極管的基本特性,基於這一特性,可以構成許多二極管應用電路,如整流電路、限幅電路、開關電路等

整流電路

半波整流

當一個負載 $R_L$ 希望從一個正弦波激勵源 $V_s$ 獲得單極性電壓時,可以通過在迴路中串入一隻二極管來實現:

採用恆壓降模型:

橋式整流

下面仍然用理想模型來分析:

在 $v_s$ 的正半周,a點電位高於c點電位,在從a點出發,經過 $D_2$ 、 $R_L$ 和 $D_4$ ,到達c點構成的支路中, $D_2$ 和 $D_4$ 處於正向偏置而且導通,並且管壓降爲0,這時a點電位高於d點電位,b點電位高於c點電位,使得 $D_1$ 和 $D_3$ 處於反向偏置而截止,電路可以等效成下圖所示:
在 $v_s$ 的負半周,a點電位低於c點電位,在由c點出發,經過 $D_3$ 、 $R_L$ 和 $D_1$ ,到達a點構成的支路中, $D_3$ 和 $D_1$ 處於正向導通狀態,而且管壓降爲0,而 $D_2$ 和 $D_4$ 處於反向偏置狀態,電路可以等效成下圖所示:

這時,負載中的電流反向並沒有改變,負載上的電壓仍是正電壓