我是一只攻城狮

硬件开发者之路之——半导体元器件之二极管

上一篇 / 下一篇  2017-07-20 20:07:15 / 个人分类:技术生涯

  PN结是半导体的初始结构,二极管是半导体器件的基础元器件。由PN结构成的各种二极管既简单由复杂,在不同应用中的不同特性也是千差万别,如果我们能够更深刻的理解这一基础元器件的原理,也许我们才能在日常的产品设计和应用中越来越游刃有余。

一、半导体

目前半导体的基石是硅Si,由初中化学可知这是4价原子,纯净的硅本身是不导电的

我们在Si中掺入3价的硼,如此形成共价键后就少了一个电子,多了一个空穴。空穴可以理解为正离子,我们称为P型半导体,靠空穴移动导电。同理我们在Si中掺入5价的砷或磷,如此形成共价键后就多了一个电子,我们称为N型半导体,靠电子移动导电。如图:

二、PN

两种不同掺杂的半导体结合在一起即形成PN结,没有外加电压的情况下,两边的多数载流子会进行扩散,因此在PN结结合处会出现空穴和电子复合,形成耗尽层,恢复绝缘特性。同时形成了一个内电场,限制了载流子继续扩散。只有当外加正向电场时才会形成电流。

如图PN负,电场将N型区的电子拉到P区,形成电子流,电流因此从PN.

1、  正向特性

PN负时,随着电压增大,逐渐抵消PN结的内电场对电子漂移的阻碍,PN开始导通,在刚导通小电流下压降为0.7V左右,电流特性公式IF = IS0·{exp [q·VF / (k·T)] - 1},随着电压增大,电流以指数形式增加。

2、  反向特性

 PN正时,外电场和内部电场同向,一起阻止电子扩散,因此反向截止。

反向电压很小时,少数载流子如P型中电子和N型中空穴会因漂移产生很小的反向饱和电流,反向饱和电流受温度的影响很大,一般量级在nA,所以在一些极微弱信号检测设计上也要注意这个参数。

  三、PN结击穿特性

PN结的击穿特性应用场合较多,击穿的机制也有几种:雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿

    雪崩击穿:反向电压增大到一定程度,少子的漂移速度加快,动能增大到一定程度后会撞击中性粒子形成电子空穴对,而且呈雪崩模式不断扩大,电流趋向无穷大。一般发生在低掺杂、反向电压较高的情况下。

齐纳击穿:在高浓度掺杂情况下,PN结的中间耗尽层非常短,漂移过程中碰撞几率小,但是外加反向电压时很容易形成强电场,把中性粒子的电子拉出来形成电子空穴对,反向电流也会剧增。

热击穿:由于PN结热功率过大,烧坏PN结。

由上可知,一般在低压6V以下击穿为齐纳击穿,而在高压下多为雪崩击穿。

 四、二极管类型

1、  整流二极管

利用单向导电性将交流变成直流,主要考虑最大整流电流、反向饱和电流、截止频率和反向恢复时间。如IN4007

2、  检波二极管

        利用单向导电性将低频信号取出。对频率特性要求高,如2AP1系列,贴片式的IN4148等。

3、  变容二极管

也称压控变容器,用在高频或通信电路中,关注截止频率、零偏压电容、电容变化范围等。如ISV101系列

4、  稳压二极管

利用高压下雪崩击穿特性形成电压钳位,一般用于各种保护电路,关注的参数有击穿电压、漏电流、稳压值等。

5、  开关二极管

作为开关使用,一般关注特性和应用场合相关。

6、  发光二极管

即发光LED,利用电子跃迁实现发光。

7、  肖特基二极管

SBD肖特基二极管为金属和半导体接触形成的二极管,正极为金属,负极为N型半导体。肖特基二极管频率高、正向压降小、开关时间快,但是反向击穿电压比较低,反向漏电流大、限制了大部分应用。

总之肖特基二极管优先应用在低压、高速的电路设计中。

8、另外还有一些特殊二极管,如磁敏二极管、光敏二极管等。

   五、二极管特性参数

对于二极管的几个参数特性,我们在不同应用下要有不同的关注点,一般而言,大部分二极管都能通用。

1、  正向导通电流IF

2、  正向导通压降VF

3、  反向击穿电压VB:在反向应用时二极管击穿电流急剧增大的值。

4、  反向工作电压VRM:反向时最大工作电压峰值,即最大未击穿电压。

5、  反向电流IR:反向时漏电流值,与电压相关。

6、  结电容Cj:PN结电容,在频率特性应用中要考虑。

7、  截止频率FM:处理交流信号的最大频率,即带宽。

8、  反向恢复时间:即电压由正到负时,二极管的由导通到截止的反应时间,也就是正向时存储电荷的释放时间,决定了开关频率。

   六、小结

总体而言,二极管作为电子元器件的基础器件,基本应用并不复杂,以至于很多工程师在电路设计中盲目使用也并不会出问题。但是在一些对电压、电流特性有要求的设计中,必须要考虑到二极管的相关特性。譬如高压、大电流、高速、地漏电流等。因此,在任何电路设计中,我们只有清晰的牢记住二极管的重要特性,然后在电路设计中关注到每一细节,这样才能真正做到游刃有余。


TAG:

 

评分:0

我来说两句

显示全部

:loveliness: :handshake :victory: :funk: :time: :kiss: :call: :hug: :lol :'( :Q :L ;P :$ :P :o :@ :D :( :)

Open Toolbar
博评网