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复习篇-二极管

2019年11月9日 Zeng Weibin 未分类

有段时间没更新菜鸟笔记的。截至敲下这行字的时候,菜鸟的小破站挺过了 85天 22个小时多,也意味我一年1/5的时间过去了。想想还是不能太咸鱼,选择重新把模电书捡了起来,来波回忆杀,先从二极管开始把。想着尽量写得通俗一点,说真的可能也写不了多么专业。

二极管的开头,是从半导体开始,半导体导电性能介于导体与绝缘体中间,可能是因为五五对半开,所以叫半导体吧。通常半导体材料常见的硅(Si)与锗(Ge)(其实我还真没见过纯的元素);半导体有一些化学、物理特性,比如热敏、光敏、压敏……,好像跑题了;话题扯回来,半导体原本五五开的状态会因为参杂其他元素后改变,或是偏向导体或是偏向绝缘体,这种情况被称为半导体的参杂特性。参杂特性是PN结形成的基础。PN结是二极管、三极管(含场效应管)的基础。

在开始学习物理的前,得先过一下化学知识(学习电子真是太南了……..)
先回顾下初中知识,怎样的算稳定元素?答案是元素最外围电子圆满的时候,典型就是指元素周期表前几行的最后一个了。在元素周期表第二、第三、第四行最外围圆满的时候数量为:8;然后结合我们这次话题,半导体,我们又来五五开(玩老梗),即8/2=4;那么外围电子为4的可能就是我们要了解化学元素了,那么他们分别为碳、硅、锗。别的不说,硅是鼎鼎大名的,涉及到芯片十之八九就是它了。为甚硅运用这么广泛呢?继续往下捋。硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,他们相互之间大概是这样的。

本征半导体

如图所示,通常相邻电子与电子都是成双结对(简直了,好好的学习还要被喂狗粮),彼此共同匹配,4+4=8的构成外围电子圆满情况,但是总有电子因为外部一切环境因素,比如温度,导致电子脱离了原有的配对,游离在外,像极了爱情里那些吃着自己碗里的想着别人碗里的渣男/浪女。本来一个萝卜一个坑的匹配,因为有电子脱离,形成在自由电子(带负电)与空穴(带正电),这样一来就像一对情侣闹掰了,决定老死不相往来了,各自恢复自由身,这种单身状态称为:载流子。正常情况下载流子是比较少,所以导电性也比较弱。但是比如温度升高的时候,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性就可以增强。

这种比较稳定的情况现象在物理上称为:本征半导体(由纯净的元素晶体构成),有纯净的就有不纯净的,由多种元素参杂的半导体称为:杂质半导体。这里引入一个新的名称:参杂特性。如表面意思,在本征半导体里面参杂某些微量的元素(如磷、硼元素),以增加导电性能。参杂完后,内部元素结构就变成下面图所示

杂质半导体

磷、硼元素分别带3与5个电子,在元素周期表上看,在带4个电子的两边(这大概就是元素界隔壁老王吧)由于 磷、硼 的参与,空穴与自由电子分别增多,共同结果的就是载流子增多了。空穴带正电,所以空穴比较多的我们称为P( Positive :正极)型半导体,所以在P型半导体上空穴被称为多子,自由电子被叫做少子;由上图可以看出P型半导体主要参杂的是硼等3价元素。自由电子带负电,所以自由电子比较多的我们称为N( Negative )型半导体,由磷元素 的5价参杂,多子与少子的定义与P型相反。

然后说的是分子扩散运动,简单得说就是高浓度得会像低浓度得扩散。就比如吃豆腐脑放糖(咸党请自行忽略比喻),不搅拌下得话,一开始只有放糖得地方会有甜味,后来远一点地方也会有甜味,道理就是糖分从高浓度得地方扩散了。同理如果把P型与N型得半导体放在同一块硅片上,那么P区的高浓度的载流子-空穴会向N区扩撒,同理N区的自由电子会向P区扩散。那么问题来了,要是继续扩散,那么整片硅片上的自由电子或者空穴浓度不就变得差不多一样了么?这样一搞不就是相互抵消,大家一起变回五五开状态。

扩散运动

开什么玩笑呢,电子是这么符合常理的嘛?那还掉个锤子的头发。说完上面的化学知识,我们开始物理知识。上面说的扩散运动会在P区与N区中间形成的一个电场,大概长下面这个样子,形成过程大概是这样子的:在这个空间电荷区中,空穴与自由电子结合,就像相互消耗了一样。但是留下了原有区域里的正负离子,在偏向P区地方原本与空穴相互平衡的负离子被留下了,在偏向N区的方向正离子被留下来了。这些正、负离子跟载流子不一样,载流子可以自由游走,但他们只能在原地杵着,相互对望。于是就形成了著名的PN结;在这片电荷区有正负离子相互对立形成电场,被称为”内电场“;电场线由从正电荷开始止于负电荷,所以电场方向是从N区指向P区。在电场内,正电荷受力运动方向与电场线相同,负电荷相反。所以如果这时候N区的空穴(少子/带正负电荷)在电场旁边游走,作死的探出脚了,就被内电场力送向P区。这种因为少子作死试探的造成的现象被称为:漂移运动。注意,因为偏移运动与扩散运动在P、N区交换位置的载流子刚好是相反的。这下就平衡了,由于内电场的开始形成与增强成型,开始阻碍多子的扩散运动,另一方面增强了少子的漂移运动。当这两个运动现象达到动态平平衡的时候,在PN节内的净载流子数量(就是空穴与自由电子的相差的数量)为零,PN节形成完成,不在扩散宽度,电场也不再改变。

漂移运动/形成PN节

终于回顾完PN节了,基本是物理题的选择题就结束了,要进入大题了。都说PN节有单向导电性,这是怎么形成的呢?我们先看下PN节是怎么导通的。如下图,在PN节的P区接入电源的正极,N区接入到负极,并串上一个电阻当负载;

正向导通

先看下外部的电流流动方向,很明显从电源的正极出发,到P区经过内电场到N区,再经过电阻R回到电源的负极。从电场的方向来看,内电场与外加电源形成的外电场方向是明显相反的,也就是这样很不利于少子的漂移运动,是助长多子的扩散运动的。从电流的流动上分析,电流方向与电子的运动方向是相反的,那么电子的运动方向是从N区到P区的,自由电子再N区是多子,从N到P的方向很符合多子的扩散运动。于是外加电源行为很有力的推动了扩散运动,加速了扩散运动的进行,然后又一定程度减小了PN节耗尽层(PN节)的宽度,如此一度形成正反馈,形成很明显的正向电流,理论上最后PN被完全导通。

接下来是PN结的反向截,同样外加电源,电源方向与之前相反,如下图,从电场角度看,内电场方向与外电场是一致的,助长了少子的漂移运动。从电流运动方向来看,电子从P区推向N区,这是跟少子的漂移运动是一致的。因为漂移运动打破原有的平衡,在电流运动的压制下,多子的扩散运动受阻,耗尽层变宽,恶性循环,最后只剩下少子的漂移运动。电流是电荷定向运动形成,P区少子-自由电子在漂移运动的情况下形成了定向运动,形成微小的电流,电流方向为N区到P区,这个电流被称为反向电流。但是因为少子占载流子的比率很小,相对多子运动形成电流来说很小,所以理论上忽略反向电流。在温度等其他因素不变时,少子的浓度也基本不变,那么反向电流也基本不变与导通后加反向电压没什么关系,所以也叫反向饱和电流

反向截至

说到说完这些,就不得不提跟耗尽层有关的两个参数了,他们分别是:势垒电容扩散电容 。PN结外加电压变化时,空间电荷区(耗尽层)的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。与电荷相对的是载流子浓度, 这也是从个方面去理解单向导电性的思路。 PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。那么PN节最后节电容等于Cj= Cd + Cb ;结电容不是常量,若PN结外加电压(非直流)频率高到一定程度,则失去单向导电性!
接下来是大题的最后一小题,PN结伏安特性。先祭出伏安特性曲线如下:

PN结伏安特性曲线图
  • 上图的中的参数解释:
  • (BR):击穿电压
  • (s):反向饱和电流
  • (on):开启电压

i=I_S (e^(u/U_T )-1), (常温下U_T=26″mV”)
如正向电压远远大于U_T满足公式,反向电压满足是对该公式值取反。
T(℃)↑→在电流不变情况下管压降u↓
→反向饱和电流IS↑,U(BR)
T(℃)↑→正向特性左移,反向特性下移

终于复习完PN结了,进入PN结的典型运用-二极管的复习,先从二极管的分类开始梳理,如下图。

其实还有一种很常见的分类方式:按反向恢复时间(Trr)区分,在说分类之前要补个内容,二极管的结构。常见的二极管结构有接触式二极管,这种二极管由一根金属丝与半导体面接触,所以别指望能有多大的电流,但是胜在这样结电容小,适合高频以及开关电路;其次是面接触型二极管,与丝相比直接怼面上去,可想而知,电流能力还可以,相对来说就是只能用于低频电路上了。介于两者之间的是平面型二极管,更确切的说,它的面可大可小,小大集成电路里面,大可以比面接触型还大,所以具体使用要根据情况来说。继续说Trr分类的事情。

  • 普通二极管:T(rr)能长达ms级别,所以基本用于对50Hz工频交流电进行整流,别称整流二极管。比如1N400x系列。
  • 快恢复二极管:Trr小于200ns,可以较高的电路中也可以使用,典型的型号就是1N4148,典型运用就是在工控类的继电器处了。
  • 肖特基势垒二极管:Trr极短,好的甚至在10ns,肖特基意味着它导通压降小,对应来说功耗也会小一点,另一个恢复软度大,意味着不容易产生反向恢复高压。典型运用在低压开关电源电路(ACDC与DCDC),典型器件就是鼎鼎大名的1N5819(SS14).

既然提到了肖特基二极管,不妨也捋下其他几个。稳压二极管,这是在一个不同于其他二极管的使用方式,如果在正向加压的情况下,就是一个普通的二极管。当他反向加压时,表现为一个特定电压的电源,这与正向导通差不多,不过不是0.6或者0.7那么小。稳压二极管工作是依靠改变电流来实现端电压稳定在一个范围内的,所以使用时候必须先导通,否则就算开路(断路),同时必须串联电阻使用,基于分压原理改变整条支路的电流,实现电压输出。

然后是发光二极管(LED),有意思的是:发光二极管的亮度与电流相关,与电压相关较小。通常也需要串联电阻使用。根据它的发光需求,如果加电阻换取电流的话会造成额外的功耗,追求效率的话一般会使用LED驱动电源,俗称恒流源电源。

最后一项了,罗列一下二极管常见的参数

  • 正向平均电流(整流管):IF(AV)
  • 通态平均电流:IT(AV)
  • VRSM:反向不重复峰值电压
  • VRRM; 反向重复峰值电压
  • VDSM:断态不重复峰值电压
  • CDRM; 断态 重复峰值电压
  • VFM:正向峰值电压(整流管)
  • IRRM:反向不重复峰值电流
  • IDRM; 反向重复峰值电流
  • TRR:反向恢复时间
  • Ton:开通时间
  • IFM:正向峰值电流
  • fM:最工作频率
说点什么
好耶,沙发还空着ヾ(≧▽≦*)o
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