二极管原理、特性及应用详解

二极管原理、特性及应用详解

引用

CSDN

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https://blog.csdn.net/weixin_44178960/article/details/143401289

二极管是电子学中最基本的半导体器件之一，其核心原理基于PN结的特性。本文将从PN结的形成、工作特性，到二极管的各种应用，为您全面解析这一重要电子元件。

PN结的形成

PN结是以硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等半导体材料为基底，分别掺杂了硼（B）等P型元素和磷（P）等N型元素，结合到一起的电子材料。其中P型半导体中的多数载流子是空穴，N型半导体的多数载流子为电子。两者结合在一起时，多数载流子会往浓度低的地方扩散，而多数载流子的扩散会导致P型半导体失去空穴后局域带负电，N型半导体失去电子后局域带正电，形成内电场，内电场阻碍扩散运动，同时使少子产生飘逸运动。无外部电场作用下，参与扩散的多子数目和参与漂移的少子数目相同时，达到动态平衡，此时形成了PN结。

为什么要有PN结？设想，半导体的特性就是本征激发的载流子浓度不够，所以既不是导体也不是绝缘体，在参杂P型和N型元素之后，才有了较高的多子浓度，P型和N型半导体两个结合在一起，才会有电荷层，才会有正向导通，反向截止的特性。如果两边都是P型或者两边都是N型半导体，那为什么不直接用铁、铜等导电性强的元素呢？显然没有意义。

那如果两边直接全部用P型元素和N型元素，而不使用半导体作为基底呢？这个我的理解是跟半导体的能带结构有关，只有用半导体作为基底进行掺杂，才能通过掺杂浓度控制导通和阻断性能，直接使用P型元素+N型元素只是将两个弱导电物质拼接在一起。

PN结的工作特性

四种工作状态

1. 当不存在外加电压时：由于PN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而处于电平衡状态。
2. 当外界有正向电压偏置时：外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
3. 当外界有反向电压偏置时：外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。
4. 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产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。PN结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。

伏安特性曲线

如上图是PN结的基本伏安特性曲线，曲线的4个区间对应着PN结4种工作状态。其中，随着温度、材料、掺杂浓度、接触面积等工艺或环境的不同，伏安特性可能会有差异，但基本的趋势不会改变。

击穿特性

1. 雪崩击穿：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获得的能量增大，并将不断的与晶体原子发生碰撞，通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来，不断产生新的自由电子-空穴对。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。稳定电压VZ>7V的属于雪崩击穿。
2. 齐纳击穿：当PN结的掺杂浓度很高时，阻挡层就十分薄。这种阻挡层特别薄的PN结，只要加上不大的反向电压，阻挡层内部的电场强度就可达到非常高的数值，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产生新的自由电子-空穴对，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。（VZ<4V）时是齐纳击穿。
3. 热击穿：在较高的反向偏压下，载流子获得的能量通过碰撞传递给晶格，从而使pn结的温度升高。温度升高后本征载流子的浓度迅速增加，这便导致反向的饱和电流迅速增加。形成了正反馈，使得电流和温度无限增大，最终致使器件烧毁。

为什么pn结雪崩击穿具有正温度系数特性，而齐纳击穿具有负温度特性？

对于雪崩击穿，温度升高时晶格散射作用增强，载流子的平均自由程减少，为满足击穿条件则需要一个更大的临界电场，因此会有一个更高的击穿电压。

对于齐纳击穿，温度升高时，半导体材料的禁带宽度（以硅为例）下降，势垒宽度随之下降，隧穿几率升高，从而导致有更多的载流子穿过势垒，因此击穿电压将会降低。

电容特性

1. 扩散电容：正向偏置时，P区和N区少子浓度的变化，导致充放电的过程
2. 势垒电容：反向偏置时，PN结两端电压变化引起积累在中间区域的电荷数量（多数载流子）的改变，导致充放电的过程
3. 结电容 = 扩散电容 + 势垒电容 （等效电路中相当于两个电容并联）

电容特性，本质上是外加电压能够引起内部充放电（载流子迁移和恢复）的过程。

二极管是由PN结+绝缘封装+导线组成，是一种单向导通（正向导通，反向截止）的元器件。其在加一定的正向偏置电压之后电阻较低，而在加上反向偏置电压的时候阻值极高。

这些特性有什么用？接下来就看下二极管的应用。

器件应用

常见应用及原理

还有一种比较特殊的二极管：肖特基二极管，由金属+N型半导体制成，具有低正向压降和非常快速的开关动作。肖特基二极管工作原理详解

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常见电路符号