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1、1.半导体二极管的类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,2.半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,半导体二极管图片,三. 特殊二极管,1.稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一
2、样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。,特殊二极管包括稳压管、变容二极管、隧道二极管、光电二极管、发光二极管等。,稳压二极管的伏安特性,(a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路,(b),(c),(a),从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(A) 稳定电压VZ ,(B) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,(C) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于
3、PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(D) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin ,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,(E)稳定电压温度系数VZ,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。 当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用
4、。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,2.变容二极管 利用PN结电容随外加电压非线性变化的特性，即电抗可变器件。 具有以下三种效应： （1）通过外加电压改变电抗，用做微波信号的开关或调制。 （2）利用非线性特性产生外加微波信号的谐波。 （3）用两个不同频率的微波信号进行参量放大，或将其中一个信号上变频。,*器件特性尽可能接近理想可变电容，即损耗越小越好。 *PN结扩散电容，损耗电导大。 *变容二极管通常采用势垒电容。 *工作区：零
5、偏压至击穿电压。,*变容二极管结构和参数,器件工作在反偏区，结电阻大约为10兆欧，单位面积结电容约为几个微微法拉，在高频应用时，结阻抗与结容抗相比可忽略不计。,（1）变容二极管的参数 电容变化系数，品质因数，串联电阻和击穿电压。 （A）电容变化系数：电容-电压非线性变化程度 Cmax：零偏压时的结电容 Cmin：击穿电压时的结电容 值越大，表示结电容相对变化越大。,（B）品质因数Q：储存能量与消耗能量的比值。变容二极管的效率也由品质因数表示。 Q值的意义是表示变容二极管储存交流能量的本领，其值越大越好。 零偏压时的Q值：,*零偏压截止频率Qo=1 （C）串联电阻Rs：源于材料体电阻和接触电阻。
6、 非外延变容二极管以基区电阻为主 外延变容二极管以N区电阻为主,（2）变容二极管结构设计 理想材料： A：至少有一种载流子有较高的迁移率； B：介电常数小； C：禁带宽度大； D：杂质电离能小； E：热导率大。,*设计台面型外延二极管时最重要的参数： A：外延层电阻率 B：外延层厚度 C：扩散深度 外延层或N区杂质浓度由截止频率和击穿电压决定。降低外延层杂质浓度击穿电压提高，但截止频率下降。 零偏压截止频率：,扩散后外延层净杂质分布： P型杂质表面浓度 外延层初始杂质浓度 衬底杂质浓度,设PN结空间电荷区中无可动电荷，杂质全部电离，则泊松方程： 解泊松方程可求得结电场与电势，进而求得结电容、击
7、穿电压等参数。,3.隧道二极管,4.整流器 整流器是一种对交流电进行整流的PN结二极管 (3-77) n介于12之间 正向直流电阻RF和动态电阻rF (3-78) (3-79),反向直流电阻RR和动态电阻rR (3-80) (3-81),5.开关二极管 利用P+N结的单向导电性制成的开关器件。 PN结反向渡越过程分为电流恒定和电流衰减两个阶段。 电流恒定的时间称存储时间； 从电流开始下降到下降到初始值百分之十这段过程为下降过程。 存储时间和下降时间之和称为反向恢复时间：,PN结正偏时，N区空穴分布： t=0 到 t=ts：在N区仍存在非平衡载流子，故pn两端的电压为正。,N区在正向稳态时储存的
8、空穴通过两个途径消失： *反向电路抽出 *电子空穴复合,随着少子的减少而越来越小,N区正向稳态时存储的电荷：,反向电压抽出的电荷总量：,其它存储的电荷需通过复合消失：,通过求解空穴连续性方程：,解得开关二极管储存时间和下降时间：,通过解依赖于时间的连续性方程：,二极管的开关速度主要由反向恢复时间 和下降时间决定。 反向恢复时间由正向电流、反向抽出电流 和N区少子寿命等因素决定。 减少寿命是提高开关频率的重要措施。,6.PIN二极管 PIN二极管是在P、N层之间增加了一本征层。由于I层能承受高的电压，故大功率二极管必须采用此种结构。 PIN二极管还用作微波开关、限幅和可变衰减器等。 1） PIN
9、二极管的能带和电场,理想PIN二极管的几点假设： （1）I区内载流子的迁移率和寿命保持不变； （2）电子和空穴有相同的寿命和迁移率； （3） 满足准中性条件， （4）在PI界面电流完全由空穴承担，在IN界面电流完全由电子承担。 A） 正向偏置状态,(3-82) (3-83) (3-84) (3-85),I区电压降很小，故忽略漂移电流和本征载流子 在稳态下： (3-86) (3-87) 通解为： (3-88) (3-89),由双注入条件 得：A1=A2 (3-90) (3-91) 代入(3-83),（3-92）,（3-93）,（3-96）,（3-95）,（3-94）,利用正向电流控制I区电阻的特
10、性，可制 成可控衰减器。,B） 反向偏置状态 I区全耗尽时，PIN二极管相当于一平板电容。,在高反向电压 下PIN二极管的电场分布近 似为矩形，宽为I区宽度W，高为I区最大电 场 。,C）PIN的开关时间 PIN二极管实际上是一种特殊的电荷存贮二极管。当它处于正向导通状态时，希望I层贮存尽可能多的电子和空穴，以使正向阻抗降得很低。当它处于反向截止状态时则希望把I层贮存的载流子尽快地消除掉这就是PIN二极管的开关速度问题开关速度由开关时间决定，开关时间主要取决于器件从通到断的关闭时间，即反向恢复时间。要减小反向恢复时间，就要减少正向时的存贮电荷和提高反向时对存贮电荷的扫出速度。但是，减少正向时的
11、存贮电荷势必增加正向电阻，所以主要是靠提高反向时的扫出速度来缩短开关时间。,清除I区的存贮电荷有两个途径一是载流子的复合,二是反 向电流的抽取作用设正偏时I区存贮的电荷量为Q(t)， 反偏时Q(t)将随时间而减小单位时间内I区电荷的减少 量等于因复合而减少的电荷量与单位时间内从I区流出的 电荷量之和,即 （3-97） 初始条件为 t=0 Q(0)=Q0 得： （3-98）,如果规定存贮电荷减小到只剩5所用的时间为反向恢复 时间，则有 另一极端情况是忽略复合的作用，则： （3-98） 初条件为t0时 ，,（3-99） 全部抽出Q0所用的时间为： （3-100） 在实际器件中，可以用加很大的反向电
12、流脉冲的方法使IRIF，则这时开关时间将远小于载流子的寿命。,7.大功率快恢复二极管 对功率器件而言，不但有考虑开关特性同时要兼顾功率处理能力既大的正向平均电流，高的反向重复峰值电压。目前发展最为迅速的是快恢复二极管。 改善大功率二极管性能的主要方法： 1）少子寿命控制技术 l 选用低阻材料：减少基区宽度，降低Qs和trr。 l 控制杂质分布：P+与N+之间采用高阻层并使杂质呈突变结分布，可使存储电荷减少近一半。 2）重金属掺杂：常用的重金属杂质为金、铂和钯,金在硅中有二个能级，其中0.54eV处的能级起复合中心的作用。 钯在硅中有三个能级，其中0.32eV处的能级起复合中心的作用。 铂在硅中有六个能级，其中0.42eV处的能级起主要的复合中心作用。 3）电子辐照 特点：通过对电子注入剂量的调节精确控制少子的寿命；在器件封装完成后进行。 4）采用新结构,
