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二極管的知識(shí)普及

發(fā)布時(shí)間：2020-09-18 18:47:12
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二極管的知識(shí)普及

1.空間電荷區(qū)

在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸邊界，由于自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和內(nèi)電場（N指向P）導(dǎo)致的漂移運(yùn)動(dòng)，使PN結(jié)中間的部位(P區(qū)和N區(qū)交界面)產(chǎn)生一個(gè)很薄的電荷區(qū)，它就是空間電荷區(qū)（即PN結(jié)）。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉了，或者說消耗殆盡了，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。

空間電荷區(qū)的寬度取決于半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度，摻雜濃度愈高，對(duì)應(yīng)的空間電荷區(qū)寬度就愈窄。另外，空間電荷區(qū)的寬度還受外加電壓控制，當(dāng)外加電壓方向增強(qiáng)空間電荷區(qū)電場時(shí)，空間電荷區(qū)展寬，反之，外加電壓削弱空間電荷區(qū)電場時(shí)，空間電荷區(qū)變窄。

空間電荷區(qū)的寬度決定了PN結(jié)的電容效應(yīng)，空間電荷區(qū)寬度越大則呈現(xiàn)的電容也越大，決定了管子的頻率應(yīng)用場合。

2.反向擊穿

如果PN結(jié)承受的反向電壓超過了它的臨界值，導(dǎo)致電場強(qiáng)度超過了臨界電場強(qiáng)度，那么就會(huì)觸發(fā)碰撞電離，導(dǎo)致雪崩效應(yīng)或者載流子倍增效應(yīng)，即在空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)目會(huì)迅速增加，即原來很小的反向電流就會(huì)急劇增加導(dǎo)致毀壞半導(dǎo)體，這種擊穿模式叫做Ⅰ型擊穿。

當(dāng)半導(dǎo)體中的損耗足夠大，產(chǎn)生發(fā)熱和電流不均勻分布，導(dǎo)致某些局部電流超過最大允許電流密度，隨之電壓迅速下降而電流急劇上升，這種叫做Ⅱ型擊穿。通常Ⅱ型擊穿之前就會(huì)產(chǎn)生Ⅰ型擊穿。

二極管所能承受的最大反向電壓取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)與摻雜參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中為了提高二極管的反向耐壓，在P區(qū)和N區(qū)之間增加一層低摻雜N區(qū)，也就是漂移區(qū)，低摻雜N區(qū)由于摻雜濃度低而接近于無摻雜的純半導(dǎo)體材料（本征半導(dǎo)體），稱為P-I-N結(jié)構(gòu)。由于摻雜濃度低，低摻雜N區(qū)就可以承受較高的電壓而不被擊穿，而低摻雜N區(qū)越厚，二極管能夠承受的反向電壓就越高。

3.二極管的特性

（1）單向?qū)щ娦?/div>

二極管的單向?qū)щ娦栽从诳臻g電荷區(qū)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相反且遠(yuǎn)強(qiáng)于內(nèi)電場，使得多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于少子（P或N半導(dǎo)體的多子到對(duì)方區(qū)域形成少數(shù)載流子稱為少子）的漂移運(yùn)動(dòng)，可以有較大的正向擴(kuò)散電流，即呈現(xiàn)低電阻，稱為PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相同，使得總的電場增強(qiáng)，于是使得少子的漂移運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成反向電流，使得空間電荷區(qū)加寬，呈現(xiàn)高電阻，稱為PN結(jié)截止。

PN結(jié)二極管的外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?。因?yàn)镻N結(jié)反向截止時(shí)形成一個(gè)耗盡層，相當(dāng)于一個(gè)中間絕緣層的一個(gè)小電容，因此當(dāng)電壓頻率升高后，高頻信號(hào)會(huì)通過這個(gè)小電容穿過，也就是反向信號(hào)也可以穿過二極管，就失去單向?qū)щ娦粤恕?/div>

（2）電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)

當(dāng)二極管流過的正向電流較小時(shí)，二極管的內(nèi)阻主要是是作為基片的低摻雜N區(qū)的電阻，其阻值較高且為常量，因而管內(nèi)電壓降隨正向電流上升而增加。當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較大的時(shí)候，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)注入并累積在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導(dǎo)體的電中性條件，其多子濃度也相應(yīng)地增加，使其電阻率大幅度下降，也就是電導(dǎo)率大大增加，這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

（3）伏安特性

（4）反向恢復(fù)特性

硅PN結(jié)二極管外加正向電壓導(dǎo)通時(shí),PN結(jié)上會(huì)有非平衡少數(shù)載流子的積累,形成所謂電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。當(dāng)二極管由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為外加負(fù)電壓截止時(shí),這些存儲(chǔ)的少數(shù)載流子的消失需要一定時(shí)間,這段時(shí)間就是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間,這段時(shí)間里在二極管中形成的電流即為二極管的反向恢復(fù)電流。在反向恢復(fù)瞬間，反向恢復(fù)電流變化率很大，將形成反向電壓過沖，在二極管兩端有反向電壓降，即二極管的關(guān)斷瞬間出現(xiàn)電壓下沖。于是，在buck電路中當(dāng)PWM開通的時(shí)刻，續(xù)流二極管由正向?qū)ǖ椒聪蚪刂蛊陂g，在開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW處會(huì)出現(xiàn)上沖，其幅度為輸入電源加上續(xù)流二極管的反向電壓降。

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