PN结二极管概述.doc

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PN结二极管概述

PN结简述   

1949年PN结理论发表，1950年制造PN结二极管的扩散法出现，半导体技术从此蓬勃发展，人类进入了微电子时代。

半导体材料有如下的一些特点：

半导体材料的电阻率受杂质含量的多少的影响极大，如在硅中只要掺入百万分之一的杂质硼，硅的电阻率就会从214，000Ω·cm下降至0.4Ω·cm；半导体材料的电阻率受外界条件影响很大。

例如温度每升高8℃纯净硅的电阻率就会下降一半左右。

因此，半导体材料可以人为地控制电阻率取得不同的导电性能。

在纯净的半导体材料（如硅）中掺入三价原子（如硼原子、镓原子）形成P型半导体；掺入五价原子（如磷原子、砷原子）的半导体材料形成N型半导体材料。

掺入杂质的P型半导体和N型半导体的电阻率下降、导电性能增强。

P型半导体和N型半导体的导电机制分别为“空穴”和“电子”。

有了P型半导体和N型半导体，就出现了“PN”结。

通过扩散等工艺，把一块半导体材料一边做成N型半导体，一边做成P型半导体。

由于P型区的“空穴”多，N型区“电子”多，在P型区和N型区的交界处，“电子”从高浓度的N区向P区扩散，同时“空穴”从浓度高的P区向N区扩散。

在P区内，“电子”称为少数载流子，在N区内，“空穴”称为少数载流子，扩散到对方的“电子”或“空穴”称为“非平衡少数载流子”。

P型半导体体内的“空穴”成为P型半导体的“多子”，同理，N型半导体内的“电子”称为N型半导体的“多子”。

这些非平衡少数载流子的注入，必然与对方的多子复合，在交界面附近使载流子成对的消失，并且各留下不能移动的正、负离子，构成一个空间电荷区，出现一个由N区指向P区的内建电场。

由正、负离子组成的空间电荷区就是“PN”结。

“PN”结具有正向导通，反向截止的功能。

“PN”结的正向特性：

观察“PN结”的I-V特性曲线，发现在正向曲线起始阶段，电流增长缓慢，这是由于内建电场对外电场的抵消作用。

当正向电压增加到一定的值后（硅管约为0.7V锗管约为0.2V），内建电场被完全消除，电流增长很快，近乎直线上升。

“PN”结的反向特性：

当“PN”处于反向偏置时，由于外电场的方向与内建电场的方向一致，使空间电荷区加宽，空间电荷区内都是不能移动的正、负离子，不具有导电性。

在“PN”结的额定击穿电压之前，反向偏置“PN”结的电流只由少数载流子漂移产生,其值基本上不随反偏压增大而上升。

由于少数载流子的浓度受温度影响很大（例如温度每升高8℃纯净硅的电阻率就会下降一半左右），因此“PN”结的反向电流随着温度的升高会增大很快。

“PN”结的击穿特性：

当加在“PN”结上的反向偏压超过其设计的击穿电压后，“PN”结发生击穿。

“PN”结的击穿主要有两类，齐纳击穿和雪崩击穿。

齐纳击穿主要发生在两侧杂质浓度都较高的“PN”结，一般反向击穿电压小于4Eg/q的“PN”的击穿模式就是齐纳击穿，击穿机理就是强电场把共价键中的电子拉出来参与导电，使的少子浓度增加，反向电流上升。

雪崩击穿主要发生在“PN”结一侧或两侧的杂质浓度较低“PN”结，一般反向击穿电压高于6Eg/q的“PN”结的击穿模式为雪崩击穿。

击穿机理就是强电场使载流子的运动速度加快，动能增大，撞击中型原子时把外层电子撞击出来，继而产生连锁反应，导致少数载流子浓度升高，反向电流剧增。

将一个“PN”结封装在一个密封的管壳中（玻璃、塑料或金属）并用引线引出电极，就成了一个二极管。

二极管的工作原理

 晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抵消作用使载流子的扩散电流增加引起正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值发生载流子的倍增效应，产生大量电子空穴对，从而产生数值很大的反向击穿电流，这称为二极管的击穿现象。

二极管的导电特性

二极管最重要的特性就是单方向导电性。

在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

下面介绍一下二极管的正向特性和反向特性。

1、正向特性

在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端、负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式称为正向偏置。

必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，流过二极管的正向电流十分微弱，此时二极管仍然不能导通。

只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能真正导通。

导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），此电压称为二极管的“正向压降”。

2、反向特性

 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端、负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，二极管处于截止状态，这种连接方式称为反向偏置。

二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为反向漏电流。

当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。

二极管的种类及特点

1、按材料划分

按材料分，有锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管。

它们虽然都由PN结构成，但由于材料不同，故性能也不尽相同。

锗二极管的压降比硅二极管的压降小，锗管为0.15～0.3伏，硅管为0.6~0.7伏。

锗二极管的反向饱和漏电流比硅二极管大，锗管一般为十到几百微安，而硅管在1微安以下。

锗管耐高温性能远远不如硅管，锗管最高承受温度不超过100℃，而硅管可高达200℃。

2、按管芯结构划分

按照管芯结构可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。

点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使金属丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。

由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。

由于PN结面积小，所以正向时扩散区存储的电荷少、且PN结电容小，可以工作在很高的频率，但不能承受大的正向电流和高的反向电压，这类管子也称为合金管，一般反向耐压很低，功耗也不大，在普通用途中用量不大。

面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的正向电流（几安到几十安）和反向电压，性能较为稳定，主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。

但一般反向恢复时间也就较大。

一般不适宜在高频电路中使用。

但现在的器件设计师通过种种办法在提高面接触型二极管的反向恢复时间性能（如通过掺入复合中心，减小扩散区体积等）。

当然，这些措施也会引起正向压降增大的不利之处。

平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

3、按用途划分

二极管按用途不同，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。

（1）整流二极管。

整流二极管主要用于整流电路中。

它是利用PN结的单向导电性把交流电转变成脉动直流电。

一般，它用硅材料做成面结合型，因此其结电容较大，但是其频率范围较窄且低，在3KHz以下。

包括普通整流二极管、快恢复整流二极管（HER系列）、肖特基整流二极管（SR系列）等。

一般在要求反向耐压及正向导通电流满足要求的基础上分为如下情况：

1直接对电源整流或接有容性负载或感性负载处的整流管，要求承受浪涌电压和浪涌电流的能力较强；2对开关电源次级整流的整流管，要求反向恢复时间要快，正向压降要小，整流效率要高。

否则会引起低压断电等故障。

同时反向恢复时间时间过长，也会对PWM模块造成不良影响。

肖特基二极管的漏电流很大，可达毫安级，随温度的上升漏电流上升更快；反向耐压很低，现在的工艺可以200V以上的肖特基二极管，但肖特基二极管具有快速的反应时间及很小的正向压降的特点。

（2）稳压二极管。

稳压二极管是一种特殊的齐纳二极管。

主要利用其在反向电压临近击穿电压时反向电流急剧增大，发生可逆性击穿（即此时的管子处于电流在很大的范围内变动而管子仍处于可控的状态）的特性。

尽管电流在很大范围内变化，但二极管的电压基本稳定在击穿电压附近。

利用稳压二极管微小的电压变化引起极大的电流变化的特点快速地把变化的电压反馈到电压调节电阻上，在稳压电路中串联一个合适的电压调节电阻就可以把电压调节在需要的值上。

稳压二极管的主要参数：

1稳压值Vz 稳压管在电路中能稳定的电压值，如3.3V、4.7V、5V、9V等；此值一般指在某一稳压电流下的值，在实际的电路中流过的稳压电流值不一定就是稳压电流值，因此，实际电路中稳压管稳压端的值不一定就是规范中稳压管的稳压值，但规范中的稳压值是中心值。

2稳压电流IZM  稳压二极管允许长期通过的最大稳压电流，稳压管的实际工作电流要小于此IZM值，否则稳压管会因电流过大而过热损坏。

3动态电阻Rz   动态电阻是指在规定的工作电流下，稳压值的微小变化与通过二极管电流的变量的比值。

动态电阻值是衡量稳压管稳压能力的一个参数。

稳压管的动态电阻随工作电流大小而改变，工作电流越大，动态电阻越小，工作电流越小，动态电阻越大。

（3）开关二极管。

开关二极管利用了二极管的单向导电特性。

在PN结加上正向电压后，其导通电阻很小；而加上反向电压后截止，其电阻很大。

因此，在电路中起到控制电流接通或关断的作用。

开关二极管的开关时间为开通时间和反向恢复时间的总和。

其中，开通时间是指开关二极管从截止到导通所需的时间；反向恢复时间是指导通到截止所需的时间。

一般，开关二极管的开关速度是很快的，而其反向恢复时间又远远大于开通时间，故在规格书中给出的一般是反向恢复时间。

硅开关二极管的反向恢复时间只有几个纳秒（ns），即10-9级秒；锗开关二极管的反向恢复时间要长一些，但也只有几百纳秒。

开关二极管具有开、关速度快，体积小，可靠性强，使用寿命长等优点，可广泛应用于自动控制电路。

（4）变容二极管。

变容二极管是利用PN结空间电荷区具有电容特性的原理制成的特殊二极管。

一般的PN结二极管只有很小的内部电容量（几PF以内），但是通过利用PN结的一些结构特性，具有特殊结构的PN结的这个内部电容量就可作到可观的容量，并可以像普通的电容器一样运用于电路中。

其容量随电压的变化可在1PF到2000PF之间变化。

如变容二极管MA335在反向2V左右的偏置下1MHz的频率下容量可达36PF左右。

变容二极管的功耗与普通PN结二极管的功耗不同。

普通二极管的功耗等于该管正向直流电流与正向压降的乘积，而变容二极管的功耗是通过二极管的交流电流与二极管的等效串联电阻的造成的。

在一定的范围内，变容二极管的反向偏压越小，结电容越大，反之，反向偏压越大，结电容就越小。

变容二极管的这个特性可取代变容器。

变容二极管有几个特殊的参数：

1结电容的变化范围或电容比 指反向电压从零偏压变化到规定的偏压时结电容变化的多少。

它影响调谐频率的覆盖面；2结电容指特定偏压下结电容的大小；3串联电阻；4反向击穿电压，它决定了器件的最大反向工作电压和最小电容值；5串联电阻 变容二极管有内部电容，当交流信号通过时还有内部电阻。

此电阻是由半导体材料的体电阻所决定的。

（5）瞬态电压抑制二极管。

瞬变电压抑制二极管（TVS）是在稳压管基础上发展起来的过压保护二极管。

是一种特殊结构的稳压二极管，主要用于对电路进行快速的过压保护。

与一般的稳压二极管相比，TVS的突出特点是它具有快速的响应时间和低串联电阻，尤其是它能承受的瞬时功率容量很大，在1ms内吸收的功率可达1000W以上，可以有效地保护对浪涌电压敏感的器件和线路。

瞬变电压抑制二极管的主要参数：

1最大反向工作电压VRmax。

该参数表示瞬变电压抑制二极管的最大允许直流工作电压。

在此电压下，该二极管是不导通的。

使用时，应使VRmax不低于被保护器件或线路的正常工作电压。

2最大钳位电压VCmax。

该参数规定了当峰值脉冲电流（持续时间通常为1ms）流经瞬变电压抑制二极管时，在其两端出现的最大压降。

它将浪涌电压钳制在这一点上。

使用时，VCmax不应大于被保护器件的最大允许安全电压。

例如，常规CMOS电路的电源电压是3～18V，击穿电压为22V左右，则为了保证CMOS的可靠工作，应选用VCmax为18V～20V的瞬变电压抑制二极管；3最大峰值脉冲电流Ipmax。

该参数规定了瞬变电压抑制二极管允许通过的最大脉冲电流。

它与钳位电压VCmax的乘积，就是瞬态脉冲功率的最大值，使用时，应使瞬态电压抑制二极管的额定瞬态脉冲功率大于被保护器件的或线路可能出现的最大浪涌功率。

4击穿电压VBR。

VBR是加到瞬变电压抑制二极管的反向电压，在此瞬间，二极管成为低阻抗的通路。

除了这些二极管，还有许多具有自己特点的二极管，如检波二极管、阻尼/升压二极管、开关二极管、低温度系数二极管、大功率高反压快恢复二极管等，这里就不一一赘述。