一文了解半導體二極管

最簡單的電子設備是二極管。它通常被稱為半導體二極管，但從技術上講，二極管具有自己特定的電氣特性。所有電子設備都是如此。它們由獨特的電氣特性定義，即使可能有不同的結構、類型和應用。

話雖如此，半導體二極管是二極管器件中最常見和最基本的結構。

了解二極管

作為一種電子設備，二極管是一種兩端單向開關。響應施加的信號，它充當一個電壓極性的閉合開關和反向極性的打開開關。

兩個重要特征將電子設備定義為二極管：

1. 它是一個雙端器件

2. 它允許電流在一個方向上傳導，而反對電流在相反方向上傳導。

因此，任何二極管都有兩個獨特的區(qū)域，無論其類型如何。一個是有源區(qū)，其中施加的電壓極性允許二極管通過它傳導電流。另一個是反向偏置區(qū)域，其中施加的極性使二極管與電流傳導相反。

二極管是一種簡單的器件，但它的應用卻無窮無盡。

半導體二極管

半導體二極管是最基本的二極管結構。實際上，二極管器件的概念是從半導體二極管演變而來的。所有半導體器件都是通過連接本征半導體材料(p 型外部材料和 n 型外部材料)構成的。

這兩種材料都是通過分別在 p 型區(qū)域上摻雜受主雜質原子和在 n 型區(qū)域上摻雜施主雜質原子而在本征襯底上形成的。這會產生一個 pn 結。

pn 結——兩側有 p 型和 n 型材料，具有各自的輸出(導電)端子——是一個半導體二極管。

經摻雜以形成 pn 結的本征材料可以是硅、鍺或砷化鎵。

二極管，作為一個簡單的pn結，代表了所有半導體器件的基本功能。適用于半導體二極管的相同原理適用于其他復雜的半導體器件，無論其設計、復雜性、操作或特性如何。

這就是為什么了解半導體二極管是現(xiàn)代電子產品的基礎。

工作中的二極管 在半導體二極管的 p 型材料中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。在 n 型材料中，它是相反的。在 n 型材料中，電子是多數(shù)電荷載流子，而空穴是少數(shù)電荷載流子。

兩種材料中的少數(shù)載流子代表本征襯底的貢獻，而多數(shù)載流子代表雜質原子的貢獻。兩種材料中多數(shù)載流子的濃度是少數(shù)載流子的 100,000 倍。

此外，它們都可以具有不同的摻雜水平，這不會影響材料或二極管的電中性。

如前所述，二極管是一種兩端器件。p型材料的導電端是陽極，n型材料的導電端是陰極端。

由于其電氣特性，二極管具有幾個工作區(qū)域。

在其電壓-電流特性的有源區(qū)，它允許常規(guī)電流從其陽極傳導至其陰極。

在其電壓-安培特性的非導電區(qū)域，它阻止任何常規(guī)電流從其陰極流向其陽極。

作為電壓控制的兩端器件，二極管具有三種可能的電氣條件：

1. 二極管沒有外加電壓

2. 陽極的電位高于陰極

3. 陰極的電位高于陽極

電氣條件…

沒有施加偏置： 在二極管兩端沒有任何外部電壓的情況下，沒有電流流過它。一旦 p 型和 n 型材料形成結，來自 p 型的空穴就在結附近的 n 型材料中擴散。這會在 n 型材料中和結周圍形成一層正離子。

類似地，來自 n 型的電子在結附近的 p 型材料中擴散。這會在 p 型材料中和結周圍形成一層負離子。這在結處形成了 耗盡區(qū) ，其兩側沒有任何自由電荷載流子。

由于多數(shù)載流子濃度很高——兩種材料中少數(shù)載流子的數(shù)量幾乎是 100,000 倍——只有少數(shù)多數(shù)載流子有足夠的能量穿過耗盡區(qū)(由于熱和光)。

為了穿過二極管，p 型材料中的空穴將試圖克服結的 p 型側的負離子的吸引力和結的 n 型側的正離子的排斥力.

要穿過二極管，n 型中的電子還必須克服結的 n 型側的正離子的吸引力和結的 p 型側的負離子的排斥力。只有少數(shù)多數(shù)載流子獲得足夠的動能來跨越這個耗盡區(qū)，這被少數(shù)載流子穿過結的運動所抵消。

結果，在沒有施加任何電壓的情況下，二極管上沒有電流。因此，電流可以流過二極管的唯一方法是大多數(shù)電荷載流子在外部電場的影響下獲得足夠的動能以穿過結。

正向偏置： 當陽極的電位高于陰極時，二極管被認為是正向偏置的。由于 p 型材料導電端的正電位，該材料中的空穴被推向 n 型。同樣，由于n型材料導電端的負電位，這種材料中的電子被推向p型。

結果，耗盡區(qū)開始減小。在特定的正電壓差(稱為 切入電壓 )下，耗盡區(qū)允許來自兩側的大量多數(shù)載流子流過二極管。這導致二極管上的電流呈指數(shù)上升。

隨著正向偏置電壓增加到超過截止電壓，許多多數(shù)載流子獲得足夠的動能(在外部電壓的影響下)以穿過耗盡區(qū)。

電流將隨著正向施加電壓繼續(xù)上升，直到達到最大極限，此時二極管的作用很像導體。在正向偏置條件下，二極管上的最大電流受到兩種材料中自由載流子濃度的限制。兩種材料的摻雜水平越高，二極管的正向電流限制就越大。

在二極管的正向電壓被移除后，耗盡區(qū)緩慢恢復，二極管返回非導通狀態(tài)，就像沒有施加任何電壓的情況一樣。

反向偏置： 當陰極的電位高于陽極時，二極管被認為處于反向偏置。p型材料導電端的負電位將這種材料的空穴拉向其導電端。同樣，n 型導電端的正電位將這種材料的電子拉向其導電端。

結果，耗盡區(qū)變寬，兩種材料中的多數(shù)載流子沒有機會穿過耗盡區(qū)。為了穿過二極管，這個電壓極性讓少數(shù)載流子通過兩側的本征襯底做出貢獻。極小的電流(由于少數(shù)載流子)，稱為 反向飽和電流 ，

流過二極管。這被稱為反向飽和電流，因為它很快達到最大限制，超過該限制，它不會改變。

反向飽和電流通常以納安或微安表示，大功率二極管除外。實際反向電流大于反向飽和電流，因為它包括其他因素，例如漏電流、溫度敏感性、結面積和耗盡區(qū)中的電荷載流子。

在電子電路中，這是非常小的電流，與導線和網絡中其他電流激活組件中的電流相比，它可以忽略不計。

擊穿區(qū)： 在反向偏置條件下，耗盡區(qū)隨著反向電壓的增加而變寬。由于高反向電壓，在某一點，少數(shù)載流子獲得足夠的動能，它們通過與原子碰撞啟動電離過程。由于電離，兩種材料中都會釋放出幾種載流子，這些載流子能夠穿過二極管。這導致高 雪崩電流 從陰極流向陽極。

少數(shù)載流子的嚴重擊穿稱為雪崩擊穿。在二極管上觸發(fā)大雪崩電流之前的最大反向電壓稱為 峰值反向電壓 (PRV) 、峰值反向電壓*(PIV)* 或 峰值電壓 。

超出 PIV 等級的特征區(qū)域是 齊納區(qū)域 。通過增加 p 型和 n 型材料的摻雜水平，可以使 PIV 額定值更接近 -5V。由于摻雜水平的增加，會發(fā)生另一種現(xiàn)象，稱為 齊納擊穿 ，其中電流水平的增加是由于強電場破壞了摻雜材料中的原子鍵。

一種特殊的重摻雜半導體二極管在反向偏置條件下具有齊納擊穿是 齊納二極管 。穩(wěn)壓二極管用于電壓調節(jié)。

電壓-電流特性

二極管有兩個工作區(qū)。在“無偏置”條件下，流過它的電流為零。在正向偏置中，二極管進入導通狀態(tài)。這意味著它允許小電流通過陽極，直到達到切入電壓。

超出切入電壓，電流按以下等式呈指數(shù)上升：

*I = I s e VD/nVT – I s

在哪里…

I是通過二極管的電流

I s是反向飽和電流

V D是施加的正向偏置電壓

n是理想因子，介于 1 和 2 之間，取決于工作條件和二極管的結構

V T是熱電壓

熱電壓為：

V T = k*T K /q

在哪里…

VT是熱電壓

k是玻爾茲曼常數(shù) = 1.38*10 -23 J/K

TK是開爾文的絕對溫度

q是電子電荷 = 1.6*10 -19 C

在正向偏置中，通過二極管的正向電流隨正向偏置電壓呈指數(shù)增長。熱電壓的值也隨著溫度的升高而增加。因此，隨著溫度升高，正向電流減小，而隨著溫度降低，正向電流增大。

在反向偏置中，由于少數(shù)載流子引起的反向飽和電流是唯一流過二極管的電流，直到達到拐點電壓。正向電流在 mA 范圍內，上升正向偏壓的十分之一伏。反向偏置電壓為幾十伏，反向飽和電流通常為 pA 或 uA。

切入電壓、反向飽和電流和拐點電壓取決于由本征襯底貢獻的少數(shù)載流子。因此，切入電壓、反向飽和電流和拐點電壓取決于基板材料。

切入電壓：

硅 (Si) 二極管：0.7V

鍺(Ge)二極管：0.3V

砷化鎵 (GaAs) 二極管：1.2V

反向飽和電流為：

硅 (Si) 二極管：10pA

鍺(Ge)二極管：1uA

砷化鎵 (GaAs) 二極管：1pA

峰值反向電壓：

硅(Si)二極管：50V~1kV

鍺(Ge)二極管：100-400V

砷化鎵(GaAs)二極管：100V~20KV

直流信號響應

當直流信號加到二極管上時，它會在與其特性曲線相關的特定點上工作。只有當直流信號以正極性施加時，電流才會流過二極管。

根據(jù)工作點，二極管在 mA 范圍內傳導固定的正向電流，提供固定的直流/靜態(tài)電阻。

交流響應

當交流信號施加到二極管時，其在特性曲線上的工作點在所施加信號的正峰值和負峰值之間不斷變化。

通過二極管的電流在靜止點或 Q 點上下流動。該 Q 點可用于確定二極管對信號的瞬時交流電阻。瞬時交流電阻由工作信號 Q 點處的切線得出。平均交流電阻由電壓變化與交流信號正負峰值上的電流變化決定。

如果施加的信號具有較低的峰值電壓電平，則二極管到信號的交流電阻較高。如果施加的信號具有更大的峰值電壓電平，則二極管的交流電阻會更小。

電氣特性

半導體二極管的一些重要電氣特性是：

切入電壓

最大正向電流

反向飽和電流

反向電流

PIV 等級

齊納電壓

直流電阻

交流電阻

平均交流電阻

過渡電容

擴散電容

二極管的類型半導體二極管不是唯一可用的二極管類型。然而，有幾種類型的半導體二極管，每一種都設計為在特定的特征區(qū)域內工作或提供特定的物理或電氣特性。

一些示例包括電源、齊納二極管、小信號、大信號、發(fā)光二極管等。

例如，有許多具有特殊結構的二極管，如激光二極管、肖克利二極管和肖特基二極管等。無論結構、工作特性或物理性能如何，所有二極管的特性曲線和電性能都保持相似。

所有二極管都是電壓控制的兩端單向開關。

審核編輯：湯梓紅