01

半导体基础和PN结

1.1 N型半导体

n型半导体是指以磷（P）、砷（As）或锑（Sb）作为杂质进行掺杂的本征半导体。第IV组的硅有四个价电子，第V组的磷有五个价电子。如果在纯硅晶体中加入少量磷，磷的一个价电子就可以作为剩余电子自由移动（自由电子*）。当这个自由电子被吸引到“＋”电极上并移动时，就产生了电流流动。这个自由电子就是n型半导体的载流子。

Fig1. N型半导体

1.2 P型半导体p型半导体是指掺杂了硼（B）或铟（In）的本征半导体。第IV组的硅有四个价电子，第III组的硼有三个价电子。如果将少量硼掺杂到硅单晶中，在某个位置上的价电子将不足以使硅和硼键合，从而产生了缺少电子的空穴*。在这种状态下施加电压时，相邻的电子移动到空穴中，使得电子所在的地方变成一个新的空穴，这些空穴看起来就像按顺序移动到“–”电极一样。这个空穴就是p型半导体的载流子。

Fig2. P型半导体

1.3 PN结

p型和n型半导体之间的接触面即称为PN结。p型和n型半导体键合时，作为载流子的空穴和自由电子相互吸引、束缚并在边界附近消失。由于在这个区域没有载流子，所以它被称为耗尽层，与绝缘体的状态相同。

在这种状态下，将“＋”极连接到p型区，将“-”极连接到n型区，并施加电压使得电子从n型区顺序流动到p型区。电子首先会与空穴结合而消失，但多余的电子会移动到“＋”极，这样就产生了电流流动。

Fig3. PN结

02

二极管的分类及特点介绍

二极管大类分为是带有pn结和替代结（肖特基）的双端半导体器件。

Fig.4 二极管的分类

2.1 整流二极管

二极管有一个特性是电流流动（正向）或不流动（反向）取决于施加电压的方向。利用这个特性，二极管可以对交流电压进行整流。

Fig5. 整流二极管的工作区域

整流二极管的正向特性（If-Vf）：

整流二极管的正向特性随电流电平和温度的变化而变化。在低电流区，VF在高温时较低，而在大电流区的情况则相反。一般来说，使用二极管时，应在Q点（上述两种情况的交叉点）以下有足够的温度裕量。

Fig.6 整流二极管的正向特性

（1）以载流子迁移为主的蓝色区域：VF随着温度的升高而降低。由于载流子在受热时很容易移动，因此VF在高温时比低温时低。

（2）以载流子碰撞为主的红色区域：VF随着温度的升高而升高。当大电流流动时，许多载流子会移动。在高温情况下，载流子之间的碰撞概率增加，VF比低温时高。

2.2 FRD快速恢复二极管

快速恢复二极管的结构和功能与整流二极管相同。整流二极管用于500H以下的低频应用，而FRD则用于从几千赫兹到100kHz的高频开关。因此，二极管具有反向恢复时间（trr）很短的特性，这对高速开关非常重要。

一般整流二极管的trr为几微秒到几十微秒。另一方面，FRD的trr是几十纳秒到几百纳秒，约为整流二极管的1/100。它应用于开关电源、逆变器、DC/DC转换器等。

Fig7 （a）二极管开关波形和损耗实例 （b）通用整流器与FRD的trr比较

当频率较低时，由trr引起的损耗（反向恢复损耗）可以忽略不计，但这种损耗会随着频率的增加而增加，当频率变为几千赫兹或更高时，则损耗不能忽略。

2.3 Zener稳压二极管

稳压二极管利用了pn结的反向特性。当提高pn结二极管的反向电压时，大电流在一定的电压下开始流动，并得到恒定的电压。（这种现象称为击穿，其电压称为击穿电压。）

稳压二极管积极利用了这一特性。由于这种击穿电压也被称为齐纳电压，所以稳压二极管也被称为齐纳二极管。该电压可用作恒压电源或电子电路的参考电压。

Fig.8 齐纳二极管的电特性

一般情况下，当电压小于或等于6V时，会观察到齐纳现象。如果电压超过6V，雪崩现象将超过齐纳现象成为主导。齐纳电压和雪崩电压具有不同的温度特性，前者的温度系数为负，后者的温度系数为正。

2.4 TVS 二极管

TVS二极管（ESD保护二极管）是一种齐纳二极管。它是用于解决静电放电（ESD）问题的二极管。它可以保护集成电路和其它电路。

TVS二极管将吸收接口、外部端子等的异常电压，防止电路故障并保护器件。它适用于吸收和抑制静电或短脉冲电压。

Fig.9 TVS二极管的电特性

TVS与Zener二极管的差异：

（a）TVS二极管（ESD保护二极管）在短时间内吸收很高的过电压，其作用是避免对其它半导体器件施加过大的电压。

（b）齐纳二极管将输入电压钳制为恒定电压，并将钳制的电压提供给其它半导体器件。

因此两者的差异在于，TVS二极管吸收浪涌电压以保护其它半导体器件，而齐纳二极管为其它半导体器件提供恒定电压。

2.5 可变电容二极管

可变电容二极管是利用耗尽层电容特性的产品。当施加反向电压时，耗尽层出现在二极管的pn结中，其厚度与反向电压成正比。

因此，随着反向电压的增加，耗尽层厚度增加，但电容减小。其作用与增加电容器两个电极之间的距离相同。相反，如果反向电压减小，耗尽层厚度减小，但电容增加。

它应用于调谐电路等。由于这种电容变化会改变频率特性，因此与普通二极管相比，需要较大的电容变化率。

Fig.10 可变电容二极管的电特性和符号

2.6 肖特基势垒二极管

肖特基势垒二极管（SBD）是一种采用半导体和金属（比如：钼）结合，而不是采用pn结的器件。一般来说，金属与n型层结合的半导体已经实现了商业化。由于其正向电压小，反向恢复时间短，所以适合于高速开关应用。

对于SBD而言，正向电压（VF）和反向漏电流之间存在折衷关系。

根据所使用的金属，通常来说反向耐受电压约为20至150V，VF约为0.4至0.7V，低于pn结二极管的值。

Fig.11 肖特基结构和电气特性

SBD由于结电容几乎不受温度的影响，所以从室温到高温trr相同。对于pn结二极管而言，trr会随着温度的升高而变长。所以SBD的开关特性越来越具优越性，适合用于高频开关。

对于SBD而言，半导体由n型层组成，因此金属充当二极管的阳极。同样地，只有电子是载流子，SBD变成了类似MOSFET的单极元件。

硅的能级不同于金属（能隙）。该能级因金属元素而异。符号ΦB用于表示不同的能隙。Pt（铂）是一种具有大能隙的金属。V（钒）或Ti（钛）是具有小能隙的金属。采用ΦB大的金属，泄漏电流小，但是正向电压VF大。采用ΦB小的金属，则情况相反。

03

二极管的选型范

二极管的重要参数：

3.1 额定电流

额定整流电流IF指二极管长期运行时，根据运行温升折算出来的平均电流值。

3.2 平均整流电流Io

平均整流电流IO：在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的值。折算设计时非常重要的值。

3.3 浪涌电流IFSM

运行流过的过量的正向电流。不是正常的电流，而是瞬间电流，这个值相当大。

3.4 反向峰值电压VRM

即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。因给整流器加的是交流电压，它的值是规定的重要因子。反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的反向电压。目前的VRM值可达几千伏。

3.5 反向电压VR

上述反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压的值。用于直流电流，直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。

3.6 工作频率fM

由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千Hz。

3.7 反向恢复时间Trr

当正向工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。

3.8 功率P

二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。功率P为功率的值。具体讲就是加载二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。

3.9 反向饱和漏电流IR

指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。在常温下，硅管的IR为nA（10-9A）级，锗管的IR为mA（10-6A）级

3.10 结温

降额可以提高产品可靠性，延长使用寿命.

二极管的降额规范（CQC1627-2020）：