最簡單的電子設(shè)備是二極管。它通常被稱為半導(dǎo)體二極管，但從技術(shù)上講，二極管具有自己特定的電氣特性。所有電子設(shè)備都是如此。它們由獨(dú)特的電氣特性定義，即使可能有不同的結(jié)構(gòu)、類型和應(yīng)用。

話雖如此，半導(dǎo)體二極管是二極管器件中最常見和最基本的結(jié)構(gòu)。

了解二極管

作為一種電子設(shè)備，二極管是一種兩端單向開關(guān)。響應(yīng)施加的信號，它充當(dāng)一個電壓極性的閉合開關(guān)和反向極性的打開開關(guān)。

兩個重要特征將電子設(shè)備定義為二極管：

1. 它是一個雙端器件

2. 它允許電流在一個方向上傳導(dǎo)，而反對電流在相反方向上傳導(dǎo)。

因此，任何二極管都有兩個獨(dú)特的區(qū)域，無論其類型如何。一個是有源區(qū)，其中施加的電壓極性允許二極管通過它傳導(dǎo)電流。另一個是反向偏置區(qū)域，其中施加的極性使二極管與電流傳導(dǎo)相反。

二極管是一種簡單的器件，但它的應(yīng)用卻無窮無盡。

半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管是最基本的二極管結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，二極管器件的概念是從半導(dǎo)體二極管演變而來的。所有半導(dǎo)體器件都是通過連接本征半導(dǎo)體材料(p 型外部材料和 n 型外部材料)構(gòu)成的。

這兩種材料都是通過分別在 p 型區(qū)域上摻雜受主雜質(zhì)原子和在 n 型區(qū)域上摻雜施主雜質(zhì)原子而在本征襯底上形成的。這會產(chǎn)生一個 pn 結(jié)。

pn 結(jié)——兩側(cè)有 p 型和 n 型材料，具有各自的輸出(導(dǎo)電)端子——是一個半導(dǎo)體二極管。

經(jīng)摻雜以形成 pn 結(jié)的本征材料可以是硅、鍺或砷化鎵。

二極管，作為一個簡單的pn結(jié)，代表了所有半導(dǎo)體器件的基本功能。適用于半導(dǎo)體二極管的相同原理適用于其他復(fù)雜的半導(dǎo)體器件，無論其設(shè)計(jì)、復(fù)雜性、操作或特性如何。

這就是為什么了解半導(dǎo)體二極管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

工作中的二極管 在半導(dǎo)體二極管的 p 型材料中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。在 n 型材料中，它是相反的。在 n 型材料中，電子是多數(shù)電荷載流子，而空穴是少數(shù)電荷載流子。

兩種材料中的少數(shù)載流子代表本征襯底的貢獻(xiàn)，而多數(shù)載流子代表雜質(zhì)原子的貢獻(xiàn)。兩種材料中多數(shù)載流子的濃度是少數(shù)載流子的 100,000 倍。

此外，它們都可以具有不同的摻雜水平，這不會影響材料或二極管的電中性。

如前所述，二極管是一種兩端器件。p型材料的導(dǎo)電端是陽極，n型材料的導(dǎo)電端是陰極端。

由于其電氣特性，二極管具有幾個工作區(qū)域。

在其電壓-電流特性的有源區(qū)，它允許常規(guī)電流從其陽極傳導(dǎo)至其陰極。

在其電壓-安培特性的非導(dǎo)電區(qū)域，它阻止任何常規(guī)電流從其陰極流向其陽極。

作為電壓控制的兩端器件，二極管具有三種可能的電氣條件：

1. 二極管沒有外加電壓

2. 陽極的電位高于陰極

3. 陰極的電位高于陽極

電氣條件…

沒有施加偏置： 在二極管兩端沒有任何外部電壓的情況下，沒有電流流過它。一旦 p 型和 n 型材料形成結(jié)，來自 p 型的空穴就在結(jié)附近的 n 型材料中擴(kuò)散。這會在 n 型材料中和結(jié)周圍形成一層正離子。

類似地，來自 n 型的電子在結(jié)附近的 p 型材料中擴(kuò)散。這會在 p 型材料中和結(jié)周圍形成一層負(fù)離子。這在結(jié)處形成了 耗盡區(qū) ，其兩側(cè)沒有任何自由電荷載流子。

由于多數(shù)載流子濃度很高——兩種材料中少數(shù)載流子的數(shù)量幾乎是 100,000 倍——只有少數(shù)多數(shù)載流子有足夠的能量穿過耗盡區(qū)(由于熱和光)。

為了穿過二極管，p 型材料中的空穴將試圖克服結(jié)的 p 型側(cè)的負(fù)離子的吸引力和結(jié)的 n 型側(cè)的正離子的排斥力.

要穿過二極管，n 型中的電子還必須克服結(jié)的 n 型側(cè)的正離子的吸引力和結(jié)的 p 型側(cè)的負(fù)離子的排斥力。只有少數(shù)多數(shù)載流子獲得足夠的動能來跨越這個耗盡區(qū)，這被少數(shù)載流子穿過結(jié)的運(yùn)動所抵消。

結(jié)果，在沒有施加任何電壓的情況下，二極管上沒有電流。因此，電流可以流過二極管的唯一方法是大多數(shù)電荷載流子在外部電場的影響下獲得足夠的動能以穿過結(jié)。

正向偏置： 當(dāng)陽極的電位高于陰極時(shí)，二極管被認(rèn)為是正向偏置的。由于 p 型材料導(dǎo)電端的正電位，該材料中的空穴被推向 n 型。同樣，由于n型材料導(dǎo)電端的負(fù)電位，這種材料中的電子被推向p型。

結(jié)果，耗盡區(qū)開始減小。在特定的正電壓差(稱為 切入電壓 )下，耗盡區(qū)允許來自兩側(cè)的大量多數(shù)載流子流過二極管。這導(dǎo)致二極管上的電流呈指數(shù)上升。

隨著正向偏置電壓增加到超過截止電壓，許多多數(shù)載流子獲得足夠的動能(在外部電壓的影響下)以穿過耗盡區(qū)。

電流將隨著正向施加電壓繼續(xù)上升，直到達(dá)到最大極限，此時(shí)二極管的作用很像導(dǎo)體。在正向偏置條件下，二極管上的最大電流受到兩種材料中自由載流子濃度的限制。兩種材料的摻雜水平越高，二極管的正向電流限制就越大。

在二極管的正向電壓被移除后，耗盡區(qū)緩慢恢復(fù)，二極管返回非導(dǎo)通狀態(tài)，就像沒有施加任何電壓的情況一樣。

反向偏置： 當(dāng)陰極的電位高于陽極時(shí)，二極管被認(rèn)為處于反向偏置。p型材料導(dǎo)電端的負(fù)電位將這種材料的空穴拉向其導(dǎo)電端。同樣，n 型導(dǎo)電端的正電位將這種材料的電子拉向其導(dǎo)電端。

結(jié)果，耗盡區(qū)變寬，兩種材料中的多數(shù)載流子沒有機(jī)會穿過耗盡區(qū)。為了穿過二極管，這個電壓極性讓少數(shù)載流子通過兩側(cè)的本征襯底做出貢獻(xiàn)。極小的電流(由于少數(shù)載流子)，稱為 反向飽和電流 ，

流過二極管。這被稱為反向飽和電流，因?yàn)樗芸爝_(dá)到最大限制，超過該限制，它不會改變。

反向飽和電流通常以納安或微安表示，大功率二極管除外。實(shí)際反向電流大于反向飽和電流，因?yàn)樗ㄆ渌蛩兀缏╇娏鳌囟让舾行浴⒔Y(jié)面積和耗盡區(qū)中的電荷載流子。

在電子電路中，這是非常小的電流，與導(dǎo)線和網(wǎng)絡(luò)中其他電流激活組件中的電流相比，它可以忽略不計(jì)。

擊穿區(qū)： 在反向偏置條件下，耗盡區(qū)隨著反向電壓的增加而變寬。由于高反向電壓，在某一點(diǎn)，少數(shù)載流子獲得足夠的動能，它們通過與原子碰撞啟動電離過程。由于電離，兩種材料中都會釋放出幾種載流子，這些載流子能夠穿過二極管。這導(dǎo)致高 雪崩電流 從陰極流向陽極。

少數(shù)載流子的嚴(yán)重?fù)舸┓Q為雪崩擊穿。在二極管上觸發(fā)大雪崩電流之前的最大反向電壓稱為 峰值反向電壓 (PRV) 、峰值反向電壓*(PIV)* 或 峰值電壓 。

超出 PIV 等級的特征區(qū)域是 齊納區(qū)域 。通過增加 p 型和 n 型材料的摻雜水平，可以使 PIV 額定值更接近 -5V。由于摻雜水平的增加，會發(fā)生另一種現(xiàn)象，稱為 齊納擊穿 ，其中電流水平的增加是由于強(qiáng)電場破壞了摻雜材料中的原子鍵。

一種特殊的重?fù)诫s半導(dǎo)體二極管在反向偏置條件下具有齊納擊穿是 齊納二極管 。穩(wěn)壓二極管用于電壓調(diào)節(jié)。

電壓-電流特性

二極管有兩個工作區(qū)。在“無偏置”條件下，流過它的電流為零。在正向偏置中，二極管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這意味著它允許小電流通過陽極，直到達(dá)到切入電壓。

超出切入電壓，電流按以下等式呈指數(shù)上升：

*I = I s e VD/nVT – I s

在哪里…

I是通過二極管的電流

I s是反向飽和電流

V D是施加的正向偏置電壓

n是理想因子，介于 1 和 2 之間，取決于工作條件和二極管的結(jié)構(gòu)

V T是熱電壓

熱電壓為：

V T = k*T K /q

在哪里…

VT是熱電壓

k是玻爾茲曼常數(shù) = 1.38*10 -23 J/K

TK是開爾文的絕對溫度

q是電子電荷 = 1.6*10 -19 C

在正向偏置中，通過二極管的正向電流隨正向偏置電壓呈指數(shù)增長。熱電壓的值也隨著溫度的升高而增加。因此，隨著溫度升高，正向電流減小，而隨著溫度降低，正向電流增大。

在反向偏置中，由于少數(shù)載流子引起的反向飽和電流是唯一流過二極管的電流，直到達(dá)到拐點(diǎn)電壓。正向電流在 mA 范圍內(nèi)，上升正向偏壓的十分之一伏。反向偏置電壓為幾十伏，反向飽和電流通常為 pA 或 uA。

切入電壓、反向飽和電流和拐點(diǎn)電壓取決于由本征襯底貢獻(xiàn)的少數(shù)載流子。因此，切入電壓、反向飽和電流和拐點(diǎn)電壓取決于基板材料。

切入電壓：

硅 (Si) 二極管：0.7V

鍺(Ge)二極管：0.3V

砷化鎵 (GaAs) 二極管：1.2V

反向飽和電流為：

硅 (Si) 二極管：10pA

鍺(Ge)二極管：1uA

砷化鎵 (GaAs) 二極管：1pA

峰值反向電壓：

硅(Si)二極管：50V~1kV

鍺(Ge)二極管：100-400V

砷化鎵(GaAs)二極管：100V~20KV

直流信號響應(yīng)

當(dāng)直流信號加到二極管上時(shí)，它會在與其特性曲線相關(guān)的特定點(diǎn)上工作。只有當(dāng)直流信號以正極性施加時(shí)，電流才會流過二極管。

根據(jù)工作點(diǎn)，二極管在 mA 范圍內(nèi)傳導(dǎo)固定的正向電流，提供固定的直流/靜態(tài)電阻。

交流響應(yīng)

當(dāng)交流信號施加到二極管時(shí)，其在特性曲線上的工作點(diǎn)在所施加信號的正峰值和負(fù)峰值之間不斷變化。

通過二極管的電流在靜止點(diǎn)或 Q 點(diǎn)上下流動。該 Q 點(diǎn)可用于確定二極管對信號的瞬時(shí)交流電阻。瞬時(shí)交流電阻由工作信號 Q 點(diǎn)處的切線得出。平均交流電阻由電壓變化與交流信號正負(fù)峰值上的電流變化決定。

如果施加的信號具有較低的峰值電壓電平，則二極管到信號的交流電阻較高。如果施加的信號具有更大的峰值電壓電平，則二極管的交流電阻會更小。

電氣特性

半導(dǎo)體二極管的一些重要電氣特性是：

切入電壓

最大正向電流

反向飽和電流

反向電流

PIV 等級

齊納電壓

直流電阻

交流電阻

平均交流電阻

過渡電容

擴(kuò)散電容

二極管的類型半導(dǎo)體二極管不是唯一可用的二極管類型。然而，有幾種類型的半導(dǎo)體二極管，每一種都設(shè)計(jì)為在特定的特征區(qū)域內(nèi)工作或提供特定的物理或電氣特性。

一些示例包括電源、齊納二極管、小信號、大信號、發(fā)光二極管等。

例如，有許多具有特殊結(jié)構(gòu)的二極管，如激光二極管、肖克利二極管和肖特基二極管等。無論結(jié)構(gòu)、工作特性或物理性能如何，所有二極管的特性曲線和電性能都保持相似。

所有二極管都是電壓控制的兩端單向開關(guān)。

審核編輯：湯梓紅