二极管的认识

写在前面：

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一、PN结

在同一硅片上将 P型半导体与 N型半导体结合在一起，那么它们之间的交界面就形成 PN结；同时，PN结具有单向导电性，正是因为这一特点，所以才构造出二极管这样的电子元件

1. PN结的状态（导通 or 截止）：

   • 当 PN结外加正向电压时处于导通状态
   • 当 PN结外加反向电压时则处于截止状态

2. 反向击穿（按照它的机理可分为两种）：

   • 齐纳击穿：齐纳击穿发生在掺杂浓度很高的 PN结上，在高掺杂的情况下，因耗尽层（空间电荷区）宽度很窄，所以不大的反向电压就可以在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子 - 空穴对，致使电流急剧增大

   • 雪崩击穿：雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又相对较高的 PN结中，在掺杂浓度较低下，耗尽层宽度较宽，那么相对较低的反向电压不会产生齐纳击穿；当反向电压增加到一定程度的时候，会把价电子撞出共价键，从而产生电子 - 空穴对，这种新产生的电子与空穴在被电场加速后又撞出其他价电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加

     它们的视图：
     

     齐纳击穿 vs 雪崩击穿
     齐纳击穿和雪崩击穿之间的主要区别在于它们的发生机理。齐纳击穿是由于高电场而引起的，而雪崩击穿是由于*电子与原子的碰撞而发生的。这两种故障都可能同时发生。让我们在下表中查看它们之间的其他区别。

   齐纳击穿	雪崩击穿
   一般齐纳击穿电压 Vz在 5至 8伏。	一般电压 Vz大于 8伏以雪崩击穿为主。
   在狭窄的耗尽区，由于高电场的存在，价电子被拉入导电状态。	由于加速电子与其他原子碰撞而获得速度的能量，价电子被推向传导。
   温度升高会降低击穿电压。	温度升高会增加击穿电压。
   齐纳击穿的 VI特性具有陡峭的曲线。	雪崩击穿的 VI特性曲线不像齐纳击穿那样尖锐。
   它发生在高度掺杂的二极管中。	它发生在轻微掺杂的二极管中。

3. PN结电容效应：

   • 势垒电容 Cb
   • 扩散电容 Cd

   PN结的结电容 Cj = Cb + Cd；由于 Cb与 Cd一般都很小（结面积小的为 1pF左右，结面积大的为几十至几百皮法），对于低频信号呈现出很大容抗，其作用可忽略不计，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用

二、二极管分类

1. 常见结构

   • 点接触型：其结电容较小，一般在 1pF以下，工作频率可达 100MHz以上；适用于高频电路和小功率整流
   • 面接触型：结面积比较大，能够通过较大电流；因其结电容大，所以只能在较低频率下工作，一般仅作为整流管
   • 平面型：结面积较大的可用于大功率整流；结面积小的可作为脉冲数字电路中的开关管

   视图：
   

2. 用途种类

   • 整流二极管：将交流电源整流成脉动直流电，它是利用二极管的单向导电特性工作的；因为整流二极管正向工作电流较大，工艺上多采用面接触结构
   • 开关二极管：在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管，它的特点是反向恢复时间短，能满足高频和超高频应用的需要
   • 变容二极管：是利用 PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛地用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中
   • 快恢复二极管：能够迅速由导通状态过渡到关断状态的 PN结整流二极管，具有开关特性好、反向恢复时间短的特点； 主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中
   • 发光二极管：发光颜色取决于所用材料，只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光；正向电流愈大，发光愈强，使用时要注意不要超过最大功耗、最大正向电流和反向击穿电压等极限参数
   • 光电二极管：是利用 PN结的光敏特性，将收到的光的变化转换成电流的变化；由于光电二极管的光电流较小，所以当将其用于测量及控制等电路中时，需要先进行放大处理
   • 稳压二极管：属于面接触结构的二极管，当反向电压击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中
   • TVS管：又称为瞬态抑制二极管，是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力；当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击
   • 肖特基二极管：不是利用 P型半导体与 N型半导体接触形成 PN结原理制作的，而是在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的金属－半导体结（肖特基势垒）来阻挡反向电压；肖特基与 PN结的整流作用原理有根本性的差异，其耐压程度只有 40V左右，开关频率特别高速度非常快、反向恢复时间（Trr）特别地短；因此，被广泛应用于变频器、开关电源、驱动器等电路，作为低压大电流整流二极管、开关二极管、保护二极管、续流二极管等使用

三、二极管的伏安特性

与 PN结一样，二极管具有单向导电性；由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于 PN结的上的压降；或者说在外加电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于 PN结的电流。另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电压时的反向电流增大

​ 伏安特性图：

使二极管开始导通的临界电压称为开启电压 Uon；当二极管所加单向电压的数值足够大时，反向电流为 Is；能使二极管击穿的反向电压为击穿电压 U(BR)

Si 和 Ge的伏安特性比较：

四、二极管常用参数

1. 最大整流电流 IF：是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，与 PN结面积及外部散热条件有关
2. 最高反向工作电压 UR：是二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过此值二极管则有可能因反向击穿而损坏；通常 UR为击穿电压 U(BR)的一半
3. 反向电流 IR：二极管未击穿时的反向电流；IR 愈小，则单向导电性能愈好
4. 最高工作频率 fM：fM是二极管工作的上限截止频率；超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性