一文了解半导体二极管

最简单的电子设备是二极管。它通常被称为半导体二极管，但从技术上讲，二极管具有自己特定的电气特性。所有电子设备都是如此。它们由独特的电气特性定义，即使可能有不同的结构、类型和应用。

话虽如此，半导体二极管是二极管器件中最常见和最基本的结构。

了解二极管

作为一种电子设备，二极管是一种两端单向开关。响应施加的信号，它充当一个电压极性的闭合开关和反向极性的打开开关。

两个重要特征将电子设备定义为二极管：

1. 它是一个双端器件

2. 它允许电流在一个方向上传导，而反对电流在相反方向上传导。

因此，任何二极管都有两个独特的区域，无论其类型如何。一个是有源区，其中施加的电压极性允许二极管通过它传导电流。另一个是反向偏置区域，其中施加的极性使二极管与电流传导相反。

二极管是一种简单的器件，但它的应用却无穷无尽。

半导体二极管

半导体二极管是最基本的二极管结构。实际上，二极管器件的概念是从半导体二极管演变而来的。所有半导体器件都是通过连接本征半导体材料(p 型外部材料和 n 型外部材料)构成的。

这两种材料都是通过分别在 p 型区域上掺杂受主杂质原子和在 n 型区域上掺杂施主杂质原子而在本征衬底上形成的。这会产生一个 pn 结。

pn 结——两侧有 p 型和 n 型材料，具有各自的输出(导电)端子——是一个半导体二极管。

经掺杂以形成 pn 结的本征材料可以是硅、锗或砷化镓。

二极管，作为一个简单的pn结，代表了所有半导体器件的基本功能。适用于半导体二极管的相同原理适用于其他复杂的半导体器件，无论其设计、复杂性、操作或特性如何。

这就是为什么了解半导体二极管是现代电子产品的基础。

工作中的二极管 在半导体二极管的 p 型材料中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在 n 型材料中，它是相反的。在 n 型材料中，电子是多数电荷载流子，而空穴是少数电荷载流子。

两种材料中的少数载流子代表本征衬底的贡献，而多数载流子代表杂质原子的贡献。两种材料中多数载流子的浓度是少数载流子的 100,000 倍。

此外，它们都可以具有不同的掺杂水平，这不会影响材料或二极管的电中性。

如前所述，二极管是一种两端器件。p型材料的导电端是阳极，n型材料的导电端是阴极端。

由于其电气特性，二极管具有几个工作区域。

在其电压-电流特性的有源区，它允许常规电流从其阳极传导至其阴极。

在其电压-安培特性的非导电区域，它阻止任何常规电流从其阴极流向其阳极。

作为电压控制的两端器件，二极管具有三种可能的电气条件：

1. 二极管没有外加电压

2. 阳极的电位高于阴极

3. 阴极的电位高于阳极

电气条件…

没有施加偏置： 在二极管两端没有任何外部电压的情况下，没有电流流过它。一旦 p 型和 n 型材料形成结，来自 p 型的空穴就在结附近的 n 型材料中扩散。这会在 n 型材料中和结周围形成一层正离子。

类似地，来自 n 型的电子在结附近的 p 型材料中扩散。这会在 p 型材料中和结周围形成一层负离子。这在结处形成了 耗尽区 ，其两侧没有任何自由电荷载流子。

由于多数载流子浓度很高——两种材料中少数载流子的数量几乎是 100,000 倍——只有少数多数载流子有足够的能量穿过耗尽区(由于热和光)。

为了穿过二极管，p 型材料中的空穴将试图克服结的 p 型侧的负离子的吸引力和结的 n 型侧的正离子的排斥力.

要穿过二极管，n 型中的电子还必须克服结的 n 型侧的正离子的吸引力和结的 p 型侧的负离子的排斥力。只有少数多数载流子获得足够的动能来跨越这个耗尽区，这被少数载流子穿过结的运动所抵消。

结果，在没有施加任何电压的情况下，二极管上没有电流。因此，电流可以流过二极管的唯一方法是大多数电荷载流子在外部电场的影响下获得足够的动能以穿过结。

正向偏置： 当阳极的电位高于阴极时，二极管被认为是正向偏置的。由于 p 型材料导电端的正电位，该材料中的空穴被推向 n 型。同样，由于n型材料导电端的负电位，这种材料中的电子被推向p型。

结果，耗尽区开始减小。在特定的正电压差(称为 切入电压 )下，耗尽区允许来自两侧的大量多数载流子流过二极管。这导致二极管上的电流呈指数上升。

随着正向偏置电压增加到超过截止电压，许多多数载流子获得足够的动能(在外部电压的影响下)以穿过耗尽区。

电流将随着正向施加电压继续上升，直到达到最大极限，此时二极管的作用很像导体。在正向偏置条件下，二极管上的最大电流受到两种材料中自由载流子浓度的限制。两种材料的掺杂水平越高，二极管的正向电流限制就越大。

在二极管的正向电压被移除后，耗尽区缓慢恢复，二极管返回非导通状态，就像没有施加任何电压的情况一样。

反向偏置： 当阴极的电位高于阳极时，二极管被认为处于反向偏置。p型材料导电端的负电位将这种材料的空穴拉向其导电端。同样，n 型导电端的正电位将这种材料的电子拉向其导电端。

结果，耗尽区变宽，两种材料中的多数载流子没有机会穿过耗尽区。为了穿过二极管，这个电压极性让少数载流子通过两侧的本征衬底做出贡献。极小的电流(由于少数载流子)，称为 反向饱和电流 ，

流过二极管。这被称为反向饱和电流，因为它很快达到最大限制，超过该限制，它不会改变。

反向饱和电流通常以纳安或微安表示，大功率二极管除外。实际反向电流大于反向饱和电流，因为它包括其他因素，例如漏电流、温度敏感性、结面积和耗尽区中的电荷载流子。

在电子电路中，这是非常小的电流，与导线和网络中其他电流激活组件中的电流相比，它可以忽略不计。

击穿区： 在反向偏置条件下，耗尽区随着反向电压的增加而变宽。由于高反向电压，在某一点，少数载流子获得足够的动能，它们通过与原子碰撞启动电离过程。由于电离，两种材料中都会释放出几种载流子，这些载流子能够穿过二极管。这导致高 雪崩电流 从阴极流向阳极。

少数载流子的严重击穿称为雪崩击穿。在二极管上触发大雪崩电流之前的最大反向电压称为 峰值反向电压 (PRV) 、峰值反向电压*(PIV)* 或 峰值电压 。

超出 PIV 等级的特征区域是 齐纳区域 。通过增加 p 型和 n 型材料的掺杂水平，可以使 PIV 额定值更接近 -5V。由于掺杂水平的增加，会发生另一种现象，称为 齐纳击穿 ，其中电流水平的增加是由于强电场破坏了掺杂材料中的原子键。

一种特殊的重掺杂半导体二极管在反向偏置条件下具有齐纳击穿是 齐纳二极管 。稳压二极管用于电压调节。

电压-电流特性

二极管有两个工作区。在“无偏置”条件下，流过它的电流为零。在正向偏置中，二极管进入导通状态。这意味着它允许小电流通过阳极，直到达到切入电压。

超出切入电压，电流按以下等式呈指数上升：

*I = I s e VD/nVT – I s

在哪里…

I是通过二极管的电流

I s是反向饱和电流

V D是施加的正向偏置电压

n是理想因子，介于 1 和 2 之间，取决于工作条件和二极管的结构

V T是热电压

热电压为：

V T = k*T K /q

在哪里…

VT是热电压

k是玻尔兹曼常数 = 1.38*10 -23 J/K

TK是开尔文的绝对温度

q是电子电荷 = 1.6*10 -19 C

在正向偏置中，通过二极管的正向电流随正向偏置电压呈指数增长。热电压的值也随着温度的升高而增加。因此，随着温度升高，正向电流减小，而随着温度降低，正向电流增大。

在反向偏置中，由于少数载流子引起的反向饱和电流是唯一流过二极管的电流，直到达到拐点电压。正向电流在 mA 范围内，上升正向偏压的十分之一伏。反向偏置电压为几十伏，反向饱和电流通常为 pA 或 uA。

切入电压、反向饱和电流和拐点电压取决于由本征衬底贡献的少数载流子。因此，切入电压、反向饱和电流和拐点电压取决于基板材料。

切入电压：

硅 (Si) 二极管：0.7V

锗(Ge)二极管：0.3V

砷化镓 (GaAs) 二极管：1.2V

反向饱和电流为：

硅 (Si) 二极管：10pA

锗(Ge)二极管：1uA

砷化镓 (GaAs) 二极管：1pA

峰值反向电压：

硅(Si)二极管：50V~1kV

锗(Ge)二极管：100-400V

砷化镓(GaAs)二极管：100V~20KV

直流信号响应

当直流信号加到二极管上时，它会在与其特性曲线相关的特定点上工作。只有当直流信号以正极性施加时，电流才会流过二极管。

根据工作点，二极管在 mA 范围内传导固定的正向电流，提供固定的直流/静态电阻。

交流响应

当交流信号施加到二极管时，其在特性曲线上的工作点在所施加信号的正峰值和负峰值之间不断变化。

通过二极管的电流在静止点或 Q 点上下流动。该 Q 点可用于确定二极管对信号的瞬时交流电阻。瞬时交流电阻由工作信号 Q 点处的切线得出。平均交流电阻由电压变化与交流信号正负峰值上的电流变化决定。

如果施加的信号具有较低的峰值电压电平，则二极管到信号的交流电阻较高。如果施加的信号具有更大的峰值电压电平，则二极管的交流电阻会更小。

电气特性

半导体二极管的一些重要电气特性是：

切入电压

最大正向电流

反向饱和电流

反向电流

PIV 等级

齐纳电压

直流电阻

交流电阻

平均交流电阻

过渡电容

扩散电容

二极管的类型半导体二极管不是唯一可用的二极管类型。然而，有几种类型的半导体二极管，每一种都设计为在特定的特征区域内工作或提供特定的物理或电气特性。

一些示例包括电源、齐纳二极管、小信号、大信号、发光二极管等。

例如，有许多具有特殊结构的二极管，如激光二极管、肖克利二极管和肖特基二极管等。无论结构、工作特性或物理性能如何，所有二极管的特性曲线和电性能都保持相似。

所有二极管都是电压控制的两端单向开关。

审核编辑：汤梓红