二極管的認識

寫在前面：

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一、PN結

在同一硅片上將 P型半導體與 N型半導體結合在一起，那麼它們之間的交界面就形成 PN結；同時，PN結具有單向導電性，正是因爲這一特點，所以才構造出二極管這樣的電子元件

1. PN結的狀態（導通 or 截止）：

   • 當 PN結外加正向電壓時處於導通狀態
   • 當 PN結外加反向電壓時則處於截止狀態

2. 反向擊穿（按照它的機理可分爲兩種）：

   • 齊納擊穿：齊納擊穿發生在摻雜濃度很高的 PN結上，在高摻雜的情況下，因耗盡層（空間電荷區）寬度很窄，所以不大的反向電壓就可以在耗盡層形成很強的電場，而直接破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛，產生電子 - 空穴對，致使電流急劇增大

   • 雪崩擊穿：雪崩擊穿一般發生在摻雜濃度較低、外加電壓又相對較高的 PN結中，在摻雜濃度較低下，耗盡層寬度較寬，那麼相對較低的反向電壓不會產生齊納擊穿；當反向電壓增加到一定程度的時候，會把價電子撞出共價鍵，從而產生電子 - 空穴對，這種新產生的電子與空穴在被電場加速後又撞出其他價電子，載流子雪崩式地倍增，致使電流急劇增加

     它們的視圖：
     

     齊納擊穿 vs 雪崩擊穿
     齊納擊穿和雪崩擊穿之間的主要區別在於它們的發生機理。齊納擊穿是由於高電場而引起的，而雪崩擊穿是由於自由電子與原子的碰撞而發生的。這兩種故障都可能同時發生。讓我們在下表中查看它們之間的其他區別。

   齊納擊穿	雪崩擊穿
   一般齊納擊穿電壓 Vz在 5至 8伏。	一般電壓 Vz大於 8伏以雪崩擊穿爲主。
   在狹窄的耗盡區，由於高電場的存在，價電子被拉入導電狀態。	由於加速電子與其他原子碰撞而獲得速度的能量，價電子被推向傳導。
   溫度升高會降低擊穿電壓。	溫度升高會增加擊穿電壓。
   齊納擊穿的 VI特性具有陡峭的曲線。	雪崩擊穿的 VI特性曲線不像齊納擊穿那樣尖銳。
   它發生在高度摻雜的二極管中。	它發生在輕微摻雜的二極管中。

3. PN結電容效應：

   • 勢壘電容 Cb
   • 擴散電容 Cd

   PN結的結電容 Cj = Cb + Cd；由於 Cb與 Cd一般都很小（結面積小的爲 1pF左右，結面積大的爲幾十至幾百皮法），對於低頻信號呈現出很大容抗，其作用可忽略不計，只有在信號頻率較高時才考慮結電容的作用

   
   

二、二極管分類

1. 常見結構

   • 點接觸型：其結電容較小，一般在 1pF以下，工作頻率可達 100MHz以上；適用於高頻電路和小功率整流
   • 面接觸型：結面積比較大，能夠通過較大電流；因其結電容大，所以只能在較低頻率下工作，一般僅作爲整流管
   • 平面型：結面積較大的可用於大功率整流；結面積小的可作爲脈衝數字電路中的開關管

   視圖：
   

2. 用途種類

   • 整流二極管：將交流電源整流成脈動直流電，它是利用二極管的單向導電特性工作的；因爲整流二極管正向工作電流較大，工藝上多采用面接觸結構
   • 開關二極管：在脈衝數字電路中，用於接通和關斷電路的二極管叫開關二極管，它的特點是反向恢復時間短，能滿足高頻和超高頻應用的需要
   • 變容二極管：是利用 PN結的電容隨外加偏壓而變化這一特性製成的非線性電容元件，被廣泛地用於參量放大器，電子調諧及倍頻器等微波電路中
   • 快恢復二極管：能夠迅速由導通狀態過渡到關斷狀態的 PN結整流二極管，具有開關特性好、反向恢復時間短的特點； 主要應用於開關電源、PWM脈寬調製器、變頻器等電子電路中
   • 發光二極管：發光顏色取決於所用材料，只有當外加的正向電壓使得正向電流足夠大時才發光；正向電流愈大，發光愈強，使用時要注意不要超過最大功耗、最大正向電流和反向擊穿電壓等極限參數
   • 光電二極管：是利用 PN結的光敏特性，將收到的光的變化轉換成電流的變化；由於光電二極管的光電流較小，所以當將其用於測量及控制等電路中時，需要先進行放大處理
   • 穩壓二極管：屬於面接觸結構的二極管，當反向電壓擊穿時，在一定的電流範圍內（或者說在一定的功率損耗範圍內），端電壓幾乎不變，表現出穩壓特性，因而廣泛用於穩壓電源與限幅電路之中
   • TVS管：又稱爲瞬態抑制二極管，是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時間（亞納秒級）和相當高的浪湧吸收能力；當它的兩端經受瞬間的高能量衝擊時，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變爲低阻抗，以吸收一個瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預定的數值上，從而保護後面的電路元件不受瞬態高壓尖峯脈衝的衝擊
   • 肖特基二極管：不是利用 P型半導體與 N型半導體接觸形成 PN結原理製作的，而是在金屬（例如鉛）和半導體（N型硅片）的接觸面上，用已形成的金屬－半導體結（肖特基勢壘）來阻擋反向電壓；肖特基與 PN結的整流作用原理有根本性的差異，其耐壓程度只有 40V左右，開關頻率特別高速度非常快、反向恢復時間（Trr）特別地短；因此，被廣泛應用於變頻器、開關電源、驅動器等電路，作爲低壓大電流整流二極管、開關二極管、保護二極管、續流二極管等使用

三、二極管的伏安特性

與 PN結一樣，二極管具有單向導電性；由於二極管存在半導體體電阻和引線電阻，所以當外加正向電壓時，在電流相同的情況下，二極管的端電壓大於 PN結的上的壓降；或者說在外加電壓相同的情況下，二極管的正向電流要小於 PN結的電流。另外，由於二極管表面漏電流的存在，使外加反向電壓時的反向電流增大

​ 伏安特性圖：

使二極管開始導通的臨界電壓稱爲開啓電壓 Uon；當二極管所加單向電壓的數值足夠大時，反向電流爲 Is；能使二極管擊穿的反向電壓爲擊穿電壓 U(BR)

Si 和 Ge的伏安特性比較：

材料	開啓電壓 Uon / V	導通電壓 U / V	反向飽和電流 Is / uA
硅（Si）	≈ 0.5	0.6 ~ 0.8	< 0.1
鍺（Ge）	≈ 0.1	0.1 ~ 0.3	幾十

四、二極管常用參數

1. 最大整流電流 IF：是二極管長期運行時允許通過的最大正向平均電流，與 PN結面積及外部散熱條件有關
2. 最高反向工作電壓 UR：是二極管工作時允許外加的最大反向電壓，超過此值二極管則有可能因反向擊穿而損壞；通常 UR爲擊穿電壓 U(BR)的一半
3. 反向電流 IR：二極管未擊穿時的反向電流；IR 愈小，則單向導電性能愈好
4. 最高工作頻率 fM：fM是二極管工作的上限截止頻率；超過此值時，由於結電容的作用，二極管將不能很好地體現單向導電性