二極管基礎(chǔ)知識(shí)與選型規(guī)范

半導(dǎo)體基礎(chǔ)和PN結(jié)

1.1 N型半導(dǎo)體

n型半導(dǎo)體是指以磷（P）、砷（As）或銻（Sb）作為雜質(zhì)進(jìn)行摻雜的本征半導(dǎo)體。第IV組的硅有四個(gè)價(jià)電子，第V組的磷有五個(gè)價(jià)電子。如果在純硅晶體中加入少量磷，磷的一個(gè)價(jià)電子就可以作為剩余電子自由移動(dòng)（自由電子*）。當(dāng)這個(gè)自由電子被吸引到“＋”電極上并移動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了電流流動(dòng)。這個(gè)自由電子就是n型半導(dǎo)體的載流子。

Fig1. N型半導(dǎo)體

1.2 P型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體是指摻雜了硼（B）或銦（In）的本征半導(dǎo)體。第IV組的硅有四個(gè)價(jià)電子，第III組的硼有三個(gè)價(jià)電子。如果將少量硼摻雜到硅單晶中，在某個(gè)位置上的價(jià)電子將不足以使硅和硼鍵合，從而產(chǎn)生了缺少電子的空穴*。在這種狀態(tài)下施加電壓時(shí)，相鄰的電子移動(dòng)到空穴中，使得電子所在的地方變成一個(gè)新的空穴，這些空穴看起來就像按順序移動(dòng)到“–”電極一樣。這個(gè)空穴就是p型半導(dǎo)體的載流子。

Fig2. P型半導(dǎo)體

1.3 PN結(jié)

p型和n型半導(dǎo)體之間的接觸面即稱為PN結(jié)。p型和n型半導(dǎo)體鍵合時(shí)，作為載流子的空穴和自由電子相互吸引、束縛并在邊界附近消失。由于在這個(gè)區(qū)域沒有載流子，所以它被稱為耗盡層，與絕緣體的狀態(tài)相同。

在這種狀態(tài)下，將“＋”極連接到p型區(qū)，將“-”極連接到n型區(qū)，并施加電壓使得電子從n型區(qū)順序流動(dòng)到p型區(qū)。電子首先會(huì)與空穴結(jié)合而消失，但多余的電子會(huì)移動(dòng)到“＋”極，這樣就產(chǎn)生了電流流動(dòng)。

Fig3. PN結(jié)

二極管的分類及特點(diǎn)介紹

二極管大類分為是帶有pn結(jié)和替代結(jié)（肖特基）的雙端半導(dǎo)體器件。

Fig.4 二極管的分類

2.1 整流二極管

二極管有一個(gè)特性是電流流動(dòng)（正向）或不流動(dòng)（反向）取決于施加電壓的方向。利用這個(gè)特性，二極管可以對(duì)交流電壓進(jìn)行整流。

Fig5. 整流二極管的工作區(qū)域

整流二極管的正向特性（If-Vf）：

整流二極管的正向特性隨電流電平和溫度的變化而變化。在低電流區(qū)，VF在高溫時(shí)較低，而在大電流區(qū)的情況則相反。一般來說，使用二極管時(shí)，應(yīng)在Q點(diǎn)（上述兩種情況的交叉點(diǎn)）以下有足夠的溫度裕量。

Fig.6 整流二極管的正向特性

（1）以載流子遷移為主的藍(lán)色區(qū)域：VF隨著溫度的升高而降低。由于載流子在受熱時(shí)很容易移動(dòng)，因此VF在高溫時(shí)比低溫時(shí)低。

（2）以載流子碰撞為主的紅色區(qū)域：VF隨著溫度的升高而升高。當(dāng)大電流流動(dòng)時(shí)，許多載流子會(huì)移動(dòng)。在高溫情況下，載流子之間的碰撞概率增加，VF比低溫時(shí)高。

2.2 FRD快速恢復(fù)二極管

快速恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)和功能與整流二極管相同。整流二極管用于500H以下的低頻應(yīng)用，而FRD則用于從幾千赫茲到100kHz的高頻開關(guān)。因此，二極管具有反向恢復(fù)時(shí)間（trr）很短的特性，這對(duì)高速開關(guān)非常重要。

一般整流二極管的trr為幾微秒到幾十微秒。另一方面，F(xiàn)RD的trr是幾十納秒到幾百納秒，約為整流二極管的1/100。它應(yīng)用于開關(guān)電源、逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器等。

Fig7 （a）二極管開關(guān)波形和損耗實(shí)例（b）通用整流器與FRD的trr比較

當(dāng)頻率較低時(shí)，由trr引起的損耗（反向恢復(fù)損耗）可以忽略不計(jì)，但這種損耗會(huì)隨著頻率的增加而增加，當(dāng)頻率變?yōu)閹浊Ш掌澔蚋邥r(shí)，則損耗不能忽略。

2.3 Zener穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管利用了pn結(jié)的反向特性。當(dāng)提高pn結(jié)二極管的反向電壓時(shí)，大電流在一定的電壓下開始流動(dòng)，并得到恒定的電壓。（這種現(xiàn)象稱為擊穿，其電壓稱為擊穿電壓。）

穩(wěn)壓二極管積極利用了這一特性。由于這種擊穿電壓也被稱為齊納電壓，所以穩(wěn)壓二極管也被稱為齊納二極管。該電壓可用作恒壓電源或電子電路的參考電壓。

Fig.8 齊納二極管的電特性

一般情況下，當(dāng)電壓小于或等于6V時(shí)，會(huì)觀察到齊納現(xiàn)象。如果電壓超過6V，雪崩現(xiàn)象將超過齊納現(xiàn)象成為主導(dǎo)。齊納電壓和雪崩電壓具有不同的溫度特性，前者的溫度系數(shù)為負(fù)，后者的溫度系數(shù)為正。

2.4 TVS 二極管

TVS二極管（ESD保護(hù)二極管）是一種齊納二極管。它是用于解決靜電放電（ESD）問題的二極管。它可以保護(hù)集成電路和其它電路。

TVS二極管將吸收接口、外部端子等的異常電壓，防止電路故障并保護(hù)器件。它適用于吸收和抑制靜電或短脈沖電壓。

Fig.9 TVS二極管的電特性

TVS與Zener二極管的差異：

（a）TVS二極管（ESD保護(hù)二極管）在短時(shí)間內(nèi)吸收很高的過電壓，其作用是避免對(duì)其它半導(dǎo)體器件施加過大的電壓。

（b）齊納二極管將輸入電壓鉗制為恒定電壓，并將鉗制的電壓提供給其它半導(dǎo)體器件。

因此兩者的差異在于，TVS二極管吸收浪涌電壓以保護(hù)其它半導(dǎo)體器件，而齊納二極管為其它半導(dǎo)體器件提供恒定電壓。

2.5 可變電容二極管

可變電容二極管是利用耗盡層電容特性的產(chǎn)品。當(dāng)施加反向電壓時(shí)，耗盡層出現(xiàn)在二極管的pn結(jié)中，其厚度與反向電壓成正比。

因此，隨著反向電壓的增加，耗盡層厚度增加，但電容減小。其作用與增加電容器兩個(gè)電極之間的距離相同。相反，如果反向電壓減小，耗盡層厚度減小，但電容增加。

它應(yīng)用于調(diào)諧電路等。由于這種電容變化會(huì)改變頻率特性，因此與普通二極管相比，需要較大的電容變化率。

Fig.10 可變電容二極管的電特性和符號(hào)

2.6 肖特基勢(shì)壘二極管

肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）是一種采用半導(dǎo)體和金屬（比如：鉬）結(jié)合，而不是采用pn結(jié)的器件。一般來說，金屬與n型層結(jié)合的半導(dǎo)體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。由于其正向電壓小，反向恢復(fù)時(shí)間短，所以適合于高速開關(guān)應(yīng)用。

對(duì)于SBD而言，正向電壓（VF）和反向漏電流之間存在折衷關(guān)系。

根據(jù)所使用的金屬，通常來說反向耐受電壓約為20至150V，VF約為0.4至0.7V，低于pn結(jié)二極管的值。

Fig.11 肖特基結(jié)構(gòu)和電氣特性

SBD由于結(jié)電容幾乎不受溫度的影響，所以從室溫到高溫trr相同。對(duì)于pn結(jié)二極管而言，trr會(huì)隨著溫度的升高而變長(zhǎng)。所以SBD的開關(guān)特性越來越具優(yōu)越性，適合用于高頻開關(guān)。

對(duì)于SBD而言，半導(dǎo)體由n型層組成，因此金屬充當(dāng)二極管的陽極。同樣地，只有電子是載流子，SBD變成了類似MOSFET的單極元件。

硅的能級(jí)不同于金屬（能隙）。該能級(jí)因金屬元素而異。符號(hào)ΦB用于表示不同的能隙。Pt（鉑）是一種具有大能隙的金屬。V（釩）或Ti（鈦）是具有小能隙的金屬。采用ΦB大的金屬，泄漏電流小，但是正向電壓VF大。采用ΦB小的金屬，則情況相反。

二極管的選型范

二極管的重要參數(shù)：

3.1 額定電流

額定整流電流IF指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，根據(jù)運(yùn)行溫升折算出來的平均電流值。

3.2 最大平均整流電流Io

最大平均整流電流IO：在半波整流電路中，流過負(fù)載電阻的平均整流電流的最大值。折算設(shè)計(jì)時(shí)非常重要的值。

3.3 最大浪涌電流IFSM

運(yùn)行流過的過量的正向電流。不是正常的電流，而是瞬間電流，這個(gè)值相當(dāng)大。

3.4 最大反向峰值電壓VRM

即使沒有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會(huì)使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時(shí)電壓，而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達(dá)幾千伏。