電子學/二極體

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二極體

理論上，二極體只允許電流在一個方向流動。理想二極體在一個方向上充當完美的絕緣體，而在另一個方向上充當完美的導體。二極體允許電流流動的方向稱為正向偏置方向，而阻礙電流流動的方向稱為反向偏置方向。二極體的符號如下所示

結構

現代半導體二極體由兩個半導體區域組成，每個區域都具有不同型別的雜質，使得一側具有過量的空穴（p區），另一側具有過量的電子（n區）。這種p區和n區的連線稱為pn結二極體。p區的面積大約是n區的兩倍，以補償與電子相比，空穴的遷移率較低。

+ o-- [P | N]--o - .理論上，二極體只允許電流在一個方向流動，如今最常見的是一塊具有p結的晶體材料，連線到兩個電極。

工作原理

I-V曲線

如上圖所示，二極體實際上在正向區和反向區都工作。在正向區，I和V的值為正，而在反向區，I和V的值為負。

正向區

電流和電壓為正

當V < V_d 時，I = 0。二極體不導通

當V = V_d 時，I = 1mA。二極體開始導通。V_d = 0.3v|Ge，0.6v|Si

V_d 稱為正向擊穿電壓

當V > V_d 時，二極體導通電流。電流由

I=I_{o}[e^{({\frac {V_{d}}{nV_{T}}})t}-1]

計算。

反向區

電流和電壓為負

當電壓值低於峰值反向電壓(PIV)時，二極體將會損壞。

理想二極體

實際二極體在反向電流極小（至少在特性曲線的大部分割槽域小於1fA）以及正向電流非常大（大約1mA）的意義上接近理想二極體。儘管實際二極體不具備理想二極體的特性，但理論上如果兩個區域中摻雜劑的濃度無限大，則可以製造出理想二極體。然而，實際上無法做到這一點，實驗結果也不一致。

肖克利方程

二極體反向（飽和）電流受摻雜濃度的控制。流過器件的電流隨其兩端施加的電壓變化而變化，如肖克利二極體方程（不要與肖特基混淆）所示。

$I_{D}=I_{S}[exp(V_{D}/nV_{T})-1]$

在上式中， $V_{T}$ 定義為 $V_{T}=kT/q$ ，其中 $k$ 是玻爾茲曼常數， $T$ 是開爾文溫度， $q$ 是電子電荷量。

在正向偏置方向，電流在低電壓下流動。如果為該方程繪製特性曲線，則可以在稱為*開啟電壓*或*導通電壓*的特定電壓處看到電流的急劇上升。

在反向偏置模式下，二極體電流近似為 $-I_{S}$ 。這稱為反向*飽和*電流，因為看起來二極體已充滿電荷，並且在反向偏置方向上不能允許超過此電流。

最初似乎隨著溫度 $T$ 升高，二極體總電流會降低。但是，飽和電流 $I_{S}$ 隨溫度升高的速度快於 $V_{T}$ 項降低電流的速度。這導致整個器件的溫度係數為負：隨著二極體溫度升高，它將透過更多電流。

擊穿

但是，在上式中，在稱為*擊穿電壓*的點處會發生偏差。可以將其視為肖克利方程*擊穿*且不再有效的點。擊穿發生有兩個原因。

雪崩擊穿

這是由於某個區域中存在過量的少數載流子引起的。少數載流子是指位於錯誤區域的載流子。例如，電子將是p區中的少數載流子。

齊納擊穿

這主要是由於尺寸差異或摻雜濃度差異引起的。其中一個區域具有更大的耗盡區（反向偏置電壓會產生耗盡區，在高摻雜區域中耗盡區稀疏，而在低摻雜區域中耗盡區密集）。

另請參見齊納二極體

總結

所以基本上，二極體有三種工作模式

正向

直到達到稱為*開啟*電壓的小正向電壓之前，電流都不會流動。

反向

二極體阻止電流在相反方向流動。電流很小，電壓可以很大（但不能超過齊納電壓）。

擊穿

一旦二極體電壓小於齊納電壓，二極體就會允許電流在反向方向流動。

當沒有施加電壓時，N型半導體的多餘電子流入P型半導體的空穴。這會產生一個充當電壓的耗盡區。

二極體變體

橋式整流器

一種將交流電（AC）“整流”為直流電（DC）的二極體電路。橋式整流器是全波整流器，這意味著波的正負部分都變成正的。（在半波整流器中，正的保持為正的，負的變成零。）橋式整流器優於其他全波整流器設計，因為它降低了反向峰值電壓（PIV），即單個結二極體上最大的負電壓。透過降低PIV，可以使使用擊穿（齊納）電壓較低的二極體成為可能。這允許使用更便宜的二極體來執行相同的功能。