半导体二极管的结构、工作原理、参数及伏安特性曲线详解

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半导体二极管的结构、工作原理、参数及伏安特性曲线详解

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半导体二极管是电子工程中最基本的元器件之一，其独特的单向导电性在整流、检波、限幅等电路中发挥着重要作用。本文将深入探讨半导体二极管的结构、工作原理、关键参数及其伏安特性曲线，帮助读者全面理解这一基础元器件的工作机制。

1. 结构

半导体二极管的核心是一个PN结，通过将P型半导体和N型半导体紧密结合形成。在实际应用中，会在PN结上引出电极并进行封装，从而构成完整的二极管器件。根据接触方式的不同，二极管可分为点接触型和面接触型两种类型。

2. 工作原理

半导体二极管的工作原理基于PN结的特性。P型半导体掺有少量三价元素杂质（如硼），形成空穴较多的区域；N型半导体掺有少量五价元素杂质（如磷），形成自由电子较多的区域。当P型和N型半导体紧密结合时，在它们的交界面形成一个特殊的空间电荷区，这里聚集了大量的负离子和正离子。

在没有外加电压的情况下，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，PN结处于电平衡状态。当给PN结加上正向电压（即P区接电源正极，N区接电源负极）时，外加电场与内建电场方向相反，削弱了内电场，使得空间电荷区变窄，有利于载流子向对方扩散，形成正向电流。此时，二极管处于正向导通状态。

当给PN结加上反向电压（即P区接电源负极，N区接电源正极）时，外加电场与内建电场方向一致，加强了内电场，使得空间电荷区变宽，阻碍电子扩散，形成反向电流。在一定反向电压范围内，反向电流与反向偏置电压值无关，形成一个反向饱和电流。当外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值，可能产生载流子的倍增过程，导致反向击穿现象。

3. 参数

以肖特基二极管SS56为例，其主要参数包括：

最大导通电压（MAX Forward Voltage）：对于硅管，导通电压通常为0.5-0.8V，工程上一般取0.65V左右。
最大直流反向电流（Maximum DC reverse current）：在加反向电压后，虽然耗尽层会变得很宽，但电路并非纯粹的断开状态，而是存在反向漏电流。
结电容（Typical junction capacitance）：与工作频率有关。
热阻（Thermal Resistance）：二极管导通后，随着电流不断增大，自由电子运动也更剧烈，会撞击原子核，发热。
最大反向峰值电压（Repetitive Peak Reverse Voltage）：超过该电压值，管子可能会烧毁。
平均整流输出电流（Average Rectified Output Current）：管子长期工作的所允许最大平均电流。
正向浪涌峰值电流（Forward Surge Current）：二极管在短时间内能承受的最大电流。

4. 伏安特性曲线

4.1 当二极管两端电压大于二极管内电场时，正向电流随着电压增大而增大。
4.2 当二极管被施以反向电压时，虽然耗尽层变宽，但会存在漏电流（P区自由电子移动到N区）。
4.3 当反向电压达到一定值时，耗尽层里的共价键内的电子会被吸出来，形成齐纳击穿。
4.4 当反向电压达到更高时，自由移动电子轰击原子核，大量电子被释放，形成雪崩击穿。
4.5 Uth=0.6-0.8V为硅管，通常取0.7V；Uth=0.1-0.3V为锗管，通常取0.2V。
4.6 温度升高时，正向特性曲线左移，即正向压降减少；反向特性曲线下移，即反向电流增大。
4.7 电击穿：PN结未损坏，断电自恢复；热击穿：PN结烧毁。
4.8 伏安特性曲线公式：I0为反向饱和电流；VT=KT/q，q为电子电量，K为玻尔兹曼常数，常温下VT=26mv附近。

5. 齐纳击穿和雪崩击穿

齐纳击穿主要发生在掺杂浓度很高的PN结上，当加上不大的反向电压时，阻挡层内部的电场强度就可达到非常高的数值，这种很强的电场强度可以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，变为自由电子，同时产生空穴，这个过程称为场致激发。由场致激发而产生大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反向击穿现象。齐纳击穿的电压称为齐纳电压（VZ），并且一旦发生齐纳击穿，反向电压的进一步增加不会导致任何进一步的电压下降，并且在一定的电压水平上保持恒定，直到发生雪崩击穿。

雪崩击穿则发生在材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。通过空间电荷区的电子和空穴，在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空穴将不断地与晶体原子发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞，可使共价键中的电子激发形成自由电子—空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的自由电子在电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自由电子和空穴，如此连锁反应，使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加，流过PN结的电流就急剧增大击穿PN结。

两者的区别在于：齐纳击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场，而在碰撞电离机构中既与场强大小有关，也与载流子的碰撞累积过程有关。一般两种击穿同时存在，但在电压低于5-6V时的击穿以齐纳击穿为主，而电压高于5-6V时的击穿以雪崩击穿为主。