在本征半導(dǎo)體中摻入P型和N型雜質(zhì),其交界處就形成了PN結(jié),在PN結(jié)的兩端引出兩個(gè)電極,并在外面裝上管殼,就成為半導(dǎo)體二極管。如果一雜質(zhì)半導(dǎo)體和金屬形成整流接觸,并在兩端引出兩個(gè)電極,則成為肖特基二極管。
二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理:
PN結(jié)的形成及二極管的單向?qū)щ娦悦枋鋈缦拢?br />
如下圖1所示,對(duì)于一塊純凈的半導(dǎo)體,如果它的一側(cè)是P區(qū),另一側(cè)為N區(qū),則在P區(qū)和N區(qū)之間形成一交界面。N區(qū)的多子(電子)向P區(qū)運(yùn)動(dòng),P區(qū)的多子(空穴)向N區(qū)運(yùn)動(dòng),這種由于濃度差異而引起的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為“擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)”。擴(kuò)散到P區(qū)的電子不斷地與空穴復(fù)合,同時(shí)P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散,并與N區(qū)中的電子復(fù)合。交界面兩側(cè)多子復(fù)合的結(jié)果就出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子組成的“空間電荷區(qū)”。N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)正離子區(qū),P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū),正負(fù)離子在交界面兩側(cè)形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)。這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用的同時(shí),又有利于N區(qū)的少子(空穴)進(jìn)入P區(qū),P區(qū)的少子(電子)進(jìn)入N區(qū),這種在內(nèi)電場(chǎng)作用下少子的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為“漂移運(yùn)動(dòng)”。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)有助于內(nèi)電場(chǎng)的加強(qiáng),內(nèi)電場(chǎng)的加強(qiáng)將阻礙多子的擴(kuò)散,而有助于少子的漂移,少子漂移運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)又將削弱內(nèi)電場(chǎng),又有助于多子的擴(kuò)散,最終擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)必在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。即在單位時(shí)間內(nèi)P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)量等于由P區(qū)漂移到N區(qū)的自由電子數(shù)量,形成彼此大小相等,方向相反的漂移電流和擴(kuò)散電流,交界面的總電流為零。在動(dòng)態(tài)平衡時(shí),交界面兩側(cè)缺少載流子的區(qū)域稱(chēng)為“耗盡層“,這就形成了PN結(jié)。
如圖2所示,當(dāng)PN結(jié)處于正偏,即P區(qū)接電源正端,N區(qū)接電源負(fù)端時(shí),外加電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反,內(nèi)電場(chǎng)被削弱,耗盡層變寬,打破了PN結(jié)的平衡狀態(tài),使擴(kuò)散占優(yōu)勢(shì)。多子形成的擴(kuò)散電流通過(guò)回路形成很大的正向電流,此時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的正向電阻很小,稱(chēng)為“正向?qū)у?rdquo;。當(dāng)PN結(jié)上流過(guò)的正向電流較小時(shí),二極管的電阻主要是作為基片的低摻雜N區(qū)的歐姆電阻,其阻值較高且為常量,因而管壓降隨正向電流的上升而增加;當(dāng)PN結(jié)上流過(guò)的正向電流較大時(shí),注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大,為了維持半導(dǎo)體電中性條件,其多子濃度也相應(yīng)大幅度增加,使得其電阻率明顯下降,也就是電導(dǎo)率大大增加,這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低,維持在1V左右,所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài),為保護(hù)PN結(jié),通常要在回路中串聯(lián)一個(gè)限流電阻。
如圖3所示,當(dāng)PN結(jié)處于反偏,即P區(qū)接電源負(fù)端,N區(qū)接電源正端時(shí),外加電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同,內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng),耗盡層變寬,打破了PN結(jié)的平衡狀態(tài),使漂移占優(yōu)勢(shì)。兩區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移過(guò)PN結(jié)形成了反向電流。因?yàn)樯僮訚舛群艿,所以反向電流很小,而且在溫度一定時(shí),少子的濃度基本保持恒定,故又稱(chēng)反向電流為反向飽和電流,用Is表示。反偏的PN結(jié)所呈現(xiàn)的反向電阻很大,稱(chēng)為“反向截止”。
由以上分析可知,PN結(jié)外加正向電壓時(shí),表現(xiàn)為正向?qū);外加反向電壓時(shí),表現(xiàn)為反向截止,這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?br />
PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力,但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大,反向電流將會(huì)急劇增大,破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài),這就叫反向擊穿。反向擊穿按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。反向擊穿發(fā)生時(shí),只要外電路中采取了措施,將反向電流限制在一定范圍內(nèi),則當(dāng)反向電壓降低后PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。但如果反向電流未被限制住,使得反向電流和反向電壓的乘積超過(guò)了PN結(jié)容許的耗散功率,就會(huì)因熱量散發(fā)不出去而導(dǎo)致PN結(jié)溫度上升,直至過(guò)熱而燒毀,這就是熱擊穿。
PN結(jié)中的電荷量隨外加電壓而變化,呈現(xiàn)電容效應(yīng),稱(chēng)為結(jié)電容C-,又稱(chēng)為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容Cm勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用,外加電壓頻率越高,勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比,與阻擋層厚度成反比,而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí),當(dāng)正向電壓較低時(shí),勢(shì)壘電容為主;正向電壓較高時(shí),擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率,特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下,可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ,?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。
在PN結(jié)的兩端引出兩個(gè)電極,并用管殼封裝便就成為二極管,如圖4所示。P區(qū)的引出線(xiàn)稱(chēng)為陽(yáng)極,N區(qū)的引出線(xiàn)稱(chēng)為陰極。
功率二極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理與普通的小功率二極管均是一樣的,都是由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成的,具有單向?qū)щ娦裕陔娐分衅鹫较驅(qū)娏、反方向阻斷電流的作用。功率二極管的電氣符號(hào)與普通二極管也一樣,如圖4所示。與普通二極管不同的是功率二極管的PN結(jié)面積較大,因此過(guò)流能力增強(qiáng)了,可以通過(guò)較大的電流。
功率二極管的導(dǎo)通和截止不能通過(guò)控制電路進(jìn)行控制,而是完全取決于其兩端外加電壓的方向和大小,因此成為不可控器件。
由于功率二極管正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流,其電流密度較大,因而額外載流子的注入水平較高,電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略,而且其引線(xiàn)和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響;再加上其承受的電流變化率di/dt較大,因而其引線(xiàn)和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響。此外,為了提高反向耐壓,其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。這些都使得功率二極管與信息電子電路中的普通二極管有所區(qū)別。
還應(yīng)特別指出,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),由于熱激發(fā)使半導(dǎo)體內(nèi)載流于的濃度增加,因此PN結(jié)反向飽和電流將增大。這是造成半導(dǎo)體器件工作時(shí)不穩(wěn)定的重要因索,在實(shí)際應(yīng)用中必須加以考慮。