1、二極管結(jié)構(gòu)原理
如下是功率二極管的原理圖:
二極管主要是由一個(gè)P型和一個(gè)N型半導(dǎo)體組成,算是最簡單、使用最廣泛的器件,二極管的功能很簡單 : 正向?qū)?,反向關(guān)閉。
其原理就是一個(gè)PN的節(jié)的原理,而后面的三極管等都只是PN節(jié)的疊加,下面的知識(shí)幾乎是所有功率器件的基礎(chǔ)。
在實(shí)際二極管型號(hào)中一般會(huì)有一個(gè)白色的圈表示為負(fù)極。
從二極管的結(jié)構(gòu)來看,其實(shí)就是一個(gè)PN節(jié),只要PN足夠近(電子軌道連接)就使得PN節(jié)形成了一個(gè)大晶體,從而兩邊的載流子和相互交換移動(dòng)等。
然而P型半導(dǎo)體中空穴的濃度高,而N型半導(dǎo)體電子的濃度高,在沒有加電壓即沒有靜電場的情況下,不會(huì)存在載流子的漂移運(yùn)動(dòng),但由于載流子濃度差存在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。
如上圖所示由于PN載流子濃度不同形成擴(kuò)散,擴(kuò)散前PN均不帶電呈中性,這里特別要注意的是PN半導(dǎo)體材料中的電子和空穴的濃度高不是說其獨(dú)立的電子和空穴濃度,而是處于導(dǎo)帶中的電子和空穴濃度。
一旦產(chǎn)生擴(kuò)散以后P型半導(dǎo)體中會(huì)進(jìn)來更多的電子,而N型半導(dǎo)體中會(huì)進(jìn)來更多的空穴,所以P型半導(dǎo)體會(huì)帶上負(fù)電,而N性半導(dǎo)體會(huì)帶上正電。
這樣在擴(kuò)散的過程中會(huì)形成擴(kuò)散電流,其中中間區(qū)域肯定是首先開始擴(kuò)散,這樣兩邊擁有不同的電荷就形成了靜電場。
如上圖所示在電場的作用下P中的電子會(huì)向N中漂移,形成N--》P的漂移電流,同樣空穴也是類似的,那么擴(kuò)散電流與漂移電流反向相反,最終擴(kuò)散電流與擴(kuò)散形成的電場產(chǎn)生的漂移電流相等形成了穩(wěn)態(tài)。
中間存在電荷的區(qū)域也叫空間電荷區(qū),空間電荷區(qū)以外是中性區(qū),這樣PN節(jié)交界處的電場強(qiáng)度最強(qiáng),越往兩邊越弱。
2、PN節(jié)零偏
零偏就是外部沒有電流流過,二極管處于穩(wěn)定狀態(tài),前面了解到,PN節(jié)中間會(huì)存在一個(gè)電場,那么相當(dāng)于二極管兩端有一個(gè)類似于電壓源的形式,且對(duì)于Si材料電壓差一般約為0.7V。
電場強(qiáng)度是電荷的積分,而電勢為電場對(duì)距離的積分,波形如上圖所示,既然存在電勢差我們應(yīng)該可以使用萬用表進(jìn)行測量,而你會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際是無法測量的,原因如下:
由于在測量過程中PN節(jié)分別與金屬表筆形成肖特節(jié),而肖特節(jié)會(huì)存在0.35V的壓降,剛好與PN節(jié)的0.75V抵消,無法測量到電壓。
3、PN節(jié)正偏
當(dāng)使用電壓源給二極管供電,如下圖所示:
外界電源所產(chǎn)生的電場剛好與PN節(jié)內(nèi)部的電場反向,最終使得勢壘區(qū)范圍縮小,與外界電壓滿足KVL不變,從而導(dǎo)致PN節(jié)內(nèi)部的漂移電流降低。導(dǎo)致N區(qū)的電子或者P區(qū)的空穴不斷地向?qū)Ψ綌U(kuò)散,那么擴(kuò)散到對(duì)方的空穴或者電子不能夠再擴(kuò)大勢壘區(qū),而是經(jīng)過電源進(jìn)行了電荷的交換,使得PN節(jié)的電子或者空穴濃度保持不變。
PN節(jié)的電子或者空穴濃度沒有發(fā)生改變,那么擴(kuò)散電流就不會(huì)發(fā)生變化,可以達(dá)到很大的擴(kuò)散電流并一直維持,同時(shí)在擴(kuò)散區(qū)的載流子濃度都會(huì)增加。
當(dāng)在PN節(jié)兩端加多大的正向電壓,勢壘區(qū)就會(huì)減少多少,最終外部電源抵消勢壘區(qū)電壓便可以產(chǎn)生較大電流,所以需要在二極管正向加一定的電壓才能夠?qū)?,?dǎo)通以后的壓降很低,阻抗也比較小。
外部不加電壓的情況下,會(huì)存在一定的時(shí)間來形成勢壘區(qū),一般的二極管的在1ms左右,快速地在us級(jí)別。
二極管正向?qū)ù嬖陔妼?dǎo)調(diào)制效應(yīng),電流越大,電導(dǎo)越大,因?yàn)殡娏髟酱?,擴(kuò)散區(qū)的載流子濃度越高,也就可以降低二極管的壓降。
4、PN節(jié)反偏
PN節(jié)反偏就是讓PN節(jié)中的勢壘區(qū)變更寬,如下圖所示:
在反偏的狀態(tài)下,其擴(kuò)散電流是不會(huì)發(fā)生變化的,在外部電源的加持下,使得外部電場與內(nèi)部電場疊加形成的漂移電流會(huì)大于擴(kuò)散電流,但是雖然電場強(qiáng)度增強(qiáng),而電流的增加需要有較多的載流子,N區(qū)沒有足夠的電子,電源也無法提供電子,所以其反向電流非常小,一般為uA級(jí)別。
當(dāng)然也可以通過分析PN節(jié)中各載流子濃度進(jìn)行分析,其擴(kuò)散區(qū)的載流子濃度都會(huì)降低。
對(duì)于正偏和反偏都是存在電流的,只是電流的大小不同,所以都是處于不平衡狀態(tài),僅僅只有零偏的時(shí)候二極管才處于平衡狀態(tài),每個(gè)地方的電子*空穴濃度才大約為10^20次方,而反偏中間載流子乘積小于10^20次方,處于正偏中間載流子乘積大于10^20次方。
5、擊穿
當(dāng)在二極管上加一定的反向電壓,其P區(qū)的空穴濃度很低,N區(qū)的電子濃度也很低,其僅僅只會(huì)有uA級(jí)別的電流存在,前面對(duì)于二極管的反偏機(jī)制就已經(jīng)說明了其不可能形成大的反向電流,當(dāng)反向電壓足夠就會(huì)導(dǎo)致?lián)舸?/p>
擊穿也分為雪崩擊穿、齊納擊穿和熱擊穿
其中雪崩擊穿是外部電場給電子足夠的動(dòng)能,從而通過電子的之間的碰撞使得更多價(jià)帶的電子脫離價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶,產(chǎn)生更多的電子和空穴,這樣載流子濃度增加,最終產(chǎn)生較大的電流。
齊納擊穿,當(dāng)勢壘區(qū)比較薄,電子在強(qiáng)電場作用下會(huì)存在直接通過的情況。
熱擊穿,溫度太高,使得電子動(dòng)能增加,最終載流子濃度增加,一般Si半導(dǎo)體器件不能超過150度。
6、動(dòng)態(tài)特性
二極管在正反切換過程會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)態(tài)效應(yīng),如電容效應(yīng)。當(dāng)二極管兩端加反向電壓的時(shí)候勢壘區(qū)會(huì)變寬,其中的電荷也就越多,C=dQ/dV,從而呈現(xiàn)出電容的效應(yīng),也叫勢壘電容。
不僅僅勢壘區(qū)電荷會(huì)隨著電壓的變化而變化,還有擴(kuò)散區(qū)也會(huì)呈現(xiàn)出該特性。
但是二極管的電容效應(yīng)主要是正偏時(shí)候的電容效應(yīng)大,且主要是擴(kuò)散電容,而反向相對(duì)比較小,主要是勢壘電容。
電容效應(yīng)會(huì)影響二極管的工作頻率,尤其是高速的開關(guān)狀態(tài),會(huì)使得高頻信號(hào)直通,如下圖所示:
二極管的原理和特點(diǎn)就先講到這里,更加詳細(xì)的特點(diǎn)可以參考半導(dǎo)體導(dǎo)電材料學(xué)等知識(shí)。
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