01

半導體基礎和PN結

1.1 N型半導體

n型半導體是指以磷（P）、砷（As）或銻（Sb）作為雜質進行摻雜的本征半導體。第IV組的硅有四個價電子，第V組的磷有五個價電子。如果在純硅晶體中加入少量磷，磷的一個價電子就可以作為剩余電子自由移動（自由電子*）。當這個自由電子被吸引到“＋”電極上并移動時，就產生了電流流動。這個自由電子就是n型半導體的載流子。

Fig1. N型半導體

1.2 P型半導體p型半導體是指摻雜了硼（B）或銦（In）的本征半導體。第IV組的硅有四個價電子，第III組的硼有三個價電子。如果將少量硼摻雜到硅單晶中，在某個位置上的價電子將不足以使硅和硼鍵合，從而產生了缺少電子的空穴*。在這種狀態下施加電壓時，相鄰的電子移動到空穴中，使得電子所在的地方變成一個新的空穴，這些空穴看起來就像按順序移動到“–”電極一樣。這個空穴就是p型半導體的載流子。

Fig2. P型半導體

1.3 PN結

p型和n型半導體之間的接觸面即稱為PN結。p型和n型半導體鍵合時，作為載流子的空穴和自由電子相互吸引、束縛并在邊界附近消失。由于在這個區域沒有載流子，所以它被稱為耗盡層，與絕緣體的狀態相同。

在這種狀態下，將“＋”極連接到p型區，將“-”極連接到n型區，并施加電壓使得電子從n型區順序流動到p型區。電子首先會與空穴結合而消失，但多余的電子會移動到“＋”極，這樣就產生了電流流動。

Fig3. PN結

02

二極管的分類及特點介紹

二極管大類分為是帶有pn結和替代結（肖特基）的雙端半導體器件。

Fig.4 二極管的分類

2.1 整流二極管

二極管有一個特性是電流流動（正向）或不流動（反向）取決于施加電壓的方向。利用這個特性，二極管可以對交流電壓進行整流。

Fig5. 整流二極管的工作區域

整流二極管的正向特性（If-Vf）：

整流二極管的正向特性隨電流電平和溫度的變化而變化。在低電流區，VF在高溫時較低，而在大電流區的情況則相反。一般來說，使用二極管時，應在Q點（上述兩種情況的交叉點）以下有足夠的溫度裕量。

Fig.6 整流二極管的正向特性

（1）以載流子遷移為主的藍色區域：VF隨著溫度的升高而降低。由于載流子在受熱時很容易移動，因此VF在高溫時比低溫時低。

（2）以載流子碰撞為主的紅色區域：VF隨著溫度的升高而升高。當大電流流動時，許多載流子會移動。在高溫情況下，載流子之間的碰撞概率增加，VF比低溫時高。

2.2 FRD快速恢復二極管

快速恢復二極管的結構和功能與整流二極管相同。整流二極管用于500H以下的低頻應用，而FRD則用于從幾千赫茲到100kHz的高頻開關。因此，二極管具有反向恢復時間（trr）很短的特性，這對高速開關非常重要。

一般整流二極管的trr為幾微秒到幾十微秒。另一方面，FRD的trr是幾十納秒到幾百納秒，約為整流二極管的1/100。它應用于開關電源、逆變器、DC/DC轉換器等。

Fig7 （a）二極管開關波形和損耗實例 （b）通用整流器與FRD的trr比較

當頻率較低時，由trr引起的損耗（反向恢復損耗）可以忽略不計，但這種損耗會隨著頻率的增加而增加，當頻率變為幾千赫茲或更高時，則損耗不能忽略。

2.3 Zener穩壓二極管

穩壓二極管利用了pn結的反向特性。當提高pn結二極管的反向電壓時，大電流在一定的電壓下開始流動，并得到恒定的電壓。（這種現象稱為擊穿，其電壓稱為擊穿電壓。）

穩壓二極管積極利用了這一特性。由于這種擊穿電壓也被稱為齊納電壓，所以穩壓二極管也被稱為齊納二極管。該電壓可用作恒壓電源或電子電路的參考電壓。

Fig.8 齊納二極管的電特性

一般情況下，當電壓小于或等于6V時，會觀察到齊納現象。如果電壓超過6V，雪崩現象將超過齊納現象成為主導。齊納電壓和雪崩電壓具有不同的溫度特性，前者的溫度系數為負，后者的溫度系數為正。

2.4 TVS 二極管

TVS二極管（ESD保護二極管）是一種齊納二極管。它是用于解決靜電放電（ESD）問題的二極管。它可以保護集成電路和其它電路。

TVS二極管將吸收接口、外部端子等的異常電壓，防止電路故障并保護器件。它適用于吸收和抑制靜電或短脈沖電壓。

Fig.9 TVS二極管的電特性

TVS與Zener二極管的差異：

（a）TVS二極管（ESD保護二極管）在短時間內吸收很高的過電壓，其作用是避免對其它半導體器件施加過大的電壓。

（b）齊納二極管將輸入電壓鉗制為恒定電壓，并將鉗制的電壓提供給其它半導體器件。

因此兩者的差異在于，TVS二極管吸收浪涌電壓以保護其它半導體器件，而齊納二極管為其它半導體器件提供恒定電壓。

2.5 可變電容二極管

可變電容二極管是利用耗盡層電容特性的產品。當施加反向電壓時，耗盡層出現在二極管的pn結中，其厚度與反向電壓成正比。

因此，隨著反向電壓的增加，耗盡層厚度增加，但電容減小。其作用與增加電容器兩個電極之間的距離相同。相反，如果反向電壓減小，耗盡層厚度減小，但電容增加。

它應用于調諧電路等。由于這種電容變化會改變頻率特性，因此與普通二極管相比，需要較大的電容變化率。

Fig.10 可變電容二極管的電特性和符號

2.6 肖特基勢壘二極管

肖特基勢壘二極管（SBD）是一種采用半導體和金屬（比如：鉬）結合，而不是采用pn結的器件。一般來說，金屬與n型層結合的半導體已經實現了商業化。由于其正向電壓小，反向恢復時間短，所以適合于高速開關應用。

對于SBD而言，正向電壓（VF）和反向漏電流之間存在折衷關系。

根據所使用的金屬，通常來說反向耐受電壓約為20至150V，VF約為0.4至0.7V，低于pn結二極管的值。

Fig.11 肖特基結構和電氣特性

SBD由于結電容幾乎不受溫度的影響，所以從室溫到高溫trr相同。對于pn結二極管而言，trr會隨著溫度的升高而變長。所以SBD的開關特性越來越具優越性，適合用于高頻開關。

對于SBD而言，半導體由n型層組成，因此金屬充當二極管的陽極。同樣地，只有電子是載流子，SBD變成了類似MOSFET的單極元件。

硅的能級不同于金屬（能隙）。該能級因金屬元素而異。符號ΦB用于表示不同的能隙。Pt（鉑）是一種具有大能隙的金屬。V（釩）或Ti（鈦）是具有小能隙的金屬。采用ΦB大的金屬，泄漏電流小，但是正向電壓VF大。采用ΦB小的金屬，則情況相反。

03

二極管的選型范

二極管的重要參數：

3.1 額定電流

額定整流電流IF指二極管長期運行時，根據運行溫升折算出來的平均電流值。

3.2 最大平均整流電流Io

最大平均整流電流IO：在半波整流電路中，流過負載電阻的平均整流電流的最大值。折算設計時非常重要的值。

3.3 最大浪涌電流IFSM

運行流過的過量的正向電流。不是正常的電流，而是瞬間電流，這個值相當大。

3.4 最大反向峰值電壓VRM

即使沒有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時電壓，而是反復加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達幾千伏。

3.5 最大反向電壓VR

上述最大反向峰值電壓是反復加上的峰值電壓，VR是連續加直流電壓的值。用于直流電流，最大直流反向電壓對于確定允許值和上限值是很重要的。

3.6 最高工作頻率fM

由于PN結的結電容存在，當工作頻率超過某一值時，它的單向導電性將變差。點接觸式二極管的fM值較高，在100MHz以上；整流二極管的fM較低，一般不高于幾千Hz。

3.7 反向恢復時間Trr

當正向工作電壓從正向電壓變成反向電壓時，二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實際上，一般要延遲一點點時間。決定電流截止延時的量，就是反向恢復時間。

3.8 最大功率P

二極管中有電流流過，就會吸熱，而使自身溫度升高。最大功率P為功率的最大值。具體講就是加載二極管兩端的電壓乘以流過的電流。這個極限參數對穩壓二極管，可變電阻二極管顯得特別重要。

3.9 反向飽和漏電流IR

指在二極管兩端加入反向電壓時，流過二極管的電流，該電流與半導體材料和溫度有關。在常溫下，硅管的IR為nA（10-9A）級，鍺管的IR為mA（10-6A）級

3.10 結溫

降額可以提高產品可靠性，延長使用壽命.

二極管的降額規范（CQC1627-2020）：