二极管的特性和分类

在半导体器件中，PN结是最基本的半导体结构。如果将PN半导体封装起来，就形成了二极管器件。简单来说二极管就是一个具有单相导电性的PN结，但是在实际工程应用中，不同应用场景的需求诞生了不同类型的二极管。本文主要介绍二极管的特性和分类。

1、二极管正向VI特性

二极管的正向VI特性满足以下的公式：Is 为反向饱和电流，由于热激发产生的少数载流子数量恒定(一定温度条件下)，反向饱和电流Is也趋于恒定;VT 为热力学电压，是根据爱因斯坦公式推导出来的，室温下VT≈26mV;n为发射效率，Si半导体(IC电路)中1

由上述公式可以画出二极管的VI曲线。如图1-1，当二极管正向电压超过门槛电压，二极管电流呈指数剧烈上升。在门槛电压以下，二极管也会存在一定的电流，图1-1右，当电流很小的时候也会有微小的电压，这段的电流非常小，因此可以简单认为二极管是“截止”的。

图1-1 二极管的正向压降二极管的正向压降曲线随温度是会发生变化的。如图1-2所示，在小电流条件下，载流子的移动随着温度的升高加快，因此温度越高压降越低，二极管导通压降呈现负温度系数特性;在大电流条件下，载流子的碰撞占主导，载流子寿命降低，温度越高压降越大，二极管导通压降呈现正温度系数特性。

图1-2 二极管的正向压降随温度的变化

2、二极管反向耐压

PN结如果不是特别的掺杂处理，将二极管不断增加反向电压，达到一定电压条件后，二极管将发生雪崩击穿。在应用中，我们需要给反向耐压留有一定的余量，一般不超过二极管反向耐压的80%。在二极管未发生雪崩击穿的中间电压，为反向偏置电压(Reverse bias region)，该电压会产生一定的反向漏电流，在一些低功耗的电路设计中需要特别注意该漏电流的水平。

3、二极管的分类

如图所示，二极管可以分为两个大类：PN结型和金属-半导体结型(肖特基)。根据不同的应用场景，又可以将二极管分为：整流二极管(RD)、快恢复二极管(FRD)、瞬态电压抑制二极管(TVS)、稳压/齐纳二极管(Zener)、变容二极管(VCD)、高频二极管等。

图3-1 二极管的分类

3.1 整流二极管(Rectifier Diode)

整流二极管主要利用PN结的单相导电性，控制电流的通断。如图3-2，整流二极管主要工作在正向导通区和反向截止区(图中红色区域)。整流二极管在使用过程中，需要特别注意不能超过其规定的正向电流和反向电压限值。

图3-2 整流二极管工作区

利用二极管的单相导电性，在信号电路中，可以用来构造逻辑电路。如图3-3，通过两个信号二极管D1、D2构成一个“或门”，V1或者V2为高电平，Vo输出高电平;通过两个信号二极管D1、D2构成一个“与门”，V1和V2为高电平，Vo输出高电平。

图3-3 二极管构建逻辑电路

3.2 快回复二极管(FRD)

在开关电源拓扑中，二极管往往需要承受高频率的开通和关断的动作。如图3-4，是一个典型的BUCK电路拓扑结构，二极管D除了产生正向导通带来的损耗;在二极管关断的瞬间由于结电容的存在，二极管存在一个反向的恢复电流。

图3-5 BUCK电路中的二极管

恢复电流*反向电压会得到一个很高的损耗脉冲，这个损耗的大小和二极管反向恢复电流Irr的大小和反向恢复时间trr成正比。如图3-6，快恢复二极管(FRD)和普通二极管比较，其优化了二极管的反向恢复特性，从波形中可以看出FRD反向恢复损耗有明显的降低。

图3-6 二极管的反向恢复比较

3.3 肖特基二极管(SBD)

肖特基二极管是在N型半导体上，半导体中的电子逃逸到金属中，在金属和半导体结合面形成耗尽层(需要特殊的金属和半导体掺杂相关，这里不展开)。如图3-7，当在二极管加上反压，耗尽层增加，没有电流流过;当在二极管两端加上正向电压，耗尽层被抵消，有电流通过。值得一提的是，肖特基由于没有P型半导体的参与，因此该二极管只有一种载流子(电子)，属于单载流子器件。

图3-7 肖特基二极管的原理

肖特基势垒能级较低，很难制造高压的肖特基二极管，一般SBD的电压在20~150V之间。随着宽禁带半导体(典型的SiC)的发展，高压的SiC-SBD的使用已经日益广泛。如图3-8，和PN结型二极管相比，肖特基二极管具有更小的正向导通压降，同时具有较大的反向漏电流。在应用过程中都是需要注意的。

图3-8 肖特基二极管和PN二极管的特性比较

3.4 稳压二极管(Zener)和TVS

稳压二极管是利用两个高掺杂的P型半导体和N型半导体结合而成，掺杂浓度高，使得PN结的势垒区特别的薄，有利于载流子的漂移。因此，在稳压二极管的两端加上一定的反向电压(需要外部限流)，二极管能够迅速形成齐纳击穿，将电压钳位在一定的范围。如图3-9，反向击穿电压的曲线非常的陡峭。

图3-9 齐纳二极管特性曲线

典型的稳压二极管应用电路如图3-10所示，输出电压的特性曲线如右图，当输出电流过大(io，max右侧)稳压二极管将退出齐纳击穿区，进入反向偏置区，输出电压和电流按照欧姆定律变化。

图3-10 稳压二极管的应用输出

TVS被称为瞬态电压抑制二极管，主要用于吸收瞬态的电压浪涌。其需要的响应速度要比稳压管的速度快得多，并且具有较大的抗冲击能力，因此一般TVS管的封装都做得比较大。如图3-11，TVS在最要工作在击穿的瞬间，而稳压管需要工作在一个稳定的击穿状态下。

图3-11 稳压二极管和TVS比较