01
半導(dǎo)體基礎(chǔ)和PN結(jié)
1.1 N型半導(dǎo)體
n型半導(dǎo)體是指以磷(P)、砷(As)或銻(Sb)作為雜質(zhì)進(jìn)行摻雜的本征半導(dǎo)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(dāng)這個自由電子被吸引到“+”電極上并移動時,就產(chǎn)生了電流流動。這個自由電子就是n型半導(dǎo)體的載流子。
Fig1. N型半導(dǎo)體
1.2 P型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體是指摻雜了硼(B)或銦(In)的本征半導(dǎo)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(chǎn)生了缺少電子的空穴*。在這種狀態(tài)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(dǎo)體的載流子。
Fig2. P型半導(dǎo)體
1.3 PN結(jié)
p型和n型半導(dǎo)體之間的接觸面即稱為PN結(jié)。p型和n型半導(dǎo)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(qū)域沒有載流子,所以它被稱為耗盡層,與絕緣體的狀態(tài)相同。
在這種狀態(tài)下,將“+”極連接到p型區(qū),將“-”極連接到n型區(qū),并施加電壓使得電子從n型區(qū)順序流動到p型區(qū)。電子首先會與空穴結(jié)合而消失,但多余的電子會移動到“+”極,這樣就產(chǎn)生了電流流動。
Fig3. PN結(jié)
02
二極管的分類及特點介紹
二極管大類分為是帶有pn結(jié)和替代結(jié)(肖特基)的雙端半導(dǎo)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(jìn)行整流。
Fig5. 整流二極管的工作區(qū)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(qū),VF在高溫時較低,而在大電流區(qū)的情況則相反。一般來說,使用二極管時,應(yīng)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(lán)色區(qū)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(qū)域:VF隨著溫度的升高而升高。當(dāng)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(fù)二極管
快速恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)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(yīng)用,而FRD則用于從幾千赫茲到100kHz的高頻開關(guān)。因此,二極管具有反向恢復(fù)時間(trr)很短的特性,這對高速開關(guān)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,F(xiàn)RD的trr是幾十納秒到幾百納秒,約為整流二極管的1/100。它應(yīng)用于開關(guān)電源、逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等。
Fig7 (a)二極管開關(guān)波形和損耗實例 (b)通用整流器與FRD的trr比較
當(dāng)頻率較低時,由trr引起的損耗(反向恢復(fù)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(dāng)頻率變?yōu)閹浊Ш掌澔蚋邥r,則損耗不能忽略。
2.3 Zener穩(wěn)壓二極管
穩(wěn)壓二極管利用了pn結(jié)的反向特性。當(dāng)提高pn結(jié)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(xiàn)象稱為擊穿,其電壓稱為擊穿電壓。)
穩(wěn)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(wěn)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(dāng)電壓小于或等于6V時,會觀察到齊納現(xiàn)象。如果電壓超過6V,雪崩現(xiàn)象將超過齊納現(xiàn)象成為主導(dǎo)。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(shù)為負(fù),后者的溫度系數(shù)為正。
2.4 TVS 二極管
TVS二極管(ESD保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)二極管)在短時間內(nèi)吸收很高的過電壓,其作用是避免對其它半導(dǎo)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(dǎo)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(hù)其它半導(dǎo)體器件,而齊納二極管為其它半導(dǎo)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(chǎn)品。當(dāng)施加反向電壓時,耗盡層出現(xiàn)在二極管的pn結(jié)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(yīng)用于調(diào)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(dǎo)體和金屬(比如:鉬)結(jié)合,而不是采用pn結(jié)的器件。一般來說,金屬與n型層結(jié)合的半導(dǎo)體已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。由于其正向電壓小,反向恢復(fù)時間短,所以適合于高速開關(guān)應(yīng)用。
對于SBD而言,正向電壓(VF)和反向漏電流之間存在折衷關(guān)系。
根據(jù)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(jié)二極管的值。
Fig.11 肖特基結(jié)構(gòu)和電氣特性
SBD由于結(jié)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(jié)二極管而言,trr會隨著溫度的升高而變長。所以SBD的開關(guān)特性越來越具優(yōu)越性,適合用于高頻開關(guān)。
對于SBD而言,半導(dǎo)體由n型層組成,因此金屬充當(dāng)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(shù):
3.1 額定電流
額定整流電流IF指二極管長期運行時,根據(jù)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(fù)載電阻的平均整流電流的最大值。折算設(shè)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(dāng)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(fù)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(guī)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(dá)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(fù)加上的峰值電壓,VR是連續(xù)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(jié)的結(jié)電容存在,當(dāng)工作頻率超過某一值時,它的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。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(fù)時間Trr
當(dāng)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(fù)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(shù)對穩(wěn)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(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。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(jié)溫
降額可以提高產(chǎn)品可靠性,延長使用壽命.
二極管的降額規(guī)范(CQC1627-2020):
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