基礎(chǔ)知識(shí)之二極管

發(fā)現(xiàn)二極真空管里有整流特性和愛迪生效果是1884年。其實(shí)在這8年之前的1876年已發(fā)現(xiàn)了硒的整流作用。利用半導(dǎo)體特性實(shí)現(xiàn)整流效果的二極管的歷史十分古老。但比真空管還要古老是稍微意外吧。

當(dāng)初原始的二極管-硒整流器和礦產(chǎn)檢波器是，使用黃鐵礦和方鉛礦等天然亞酸化銅（多結(jié)晶半導(dǎo)體）。 其后，經(jīng)過精煉技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)移到了鍺，硅等高感度穩(wěn)定生產(chǎn)的單結(jié)晶半導(dǎo)體的時(shí)代。鍺對(duì)熱特性弱，現(xiàn)在幾乎都使用硅。

二極管素子是PN結(jié)合的構(gòu)造。P形半導(dǎo)體端的端子叫陽(yáng)極，N形半導(dǎo)體端的端子叫做陰極。 電流只能從陽(yáng)極流到陰極，從陰極到陽(yáng)極幾乎沒有電流流過。 這個(gè)效果叫整流效果，換句話說，就是把交流變換直流的作用。

二極管的作用直說就是開關(guān)，電流的開關(guān)。把電流用水流比喻的話，陽(yáng)極是上流，陰極是下流，水從上流到下流能流下去，就是說電流能流下去，但從下流不能流到上流。這就是二極管的整流作用。

二極管的接合構(gòu)造現(xiàn)在大有PN結(jié)合和肖特基形。前者是半導(dǎo)體和半導(dǎo)體結(jié)合，細(xì)分有擴(kuò)散接合形和臺(tái)地形。后者是半導(dǎo)體和金屬之間發(fā)生的效果。結(jié)合這個(gè)語(yǔ)言通常不在二極管里表現(xiàn)。在這里為了容易理解分列在這里。現(xiàn)在，實(shí)現(xiàn)小功耗高速性的肖特基接合形被注目，我公司積極地推進(jìn)SBD的系列化。

二極管有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子，陽(yáng)極 (+)，陰極 (-)。從陽(yáng)極到陰極流過電流時(shí)的特性叫做順方向特性，例VF，IF。相反，從陽(yáng)極 (-) 向陰極 (+) 加電流時(shí)，二極管基本上無電流流過，這時(shí)的特性叫做逆方向特性，例VR，IR等逆方向特性。

最基本的分類方法。二極管根據(jù)其特性分為整流二極管、開關(guān)二極管、肖特基勢(shì)壘二極管、齊納二極管、用于高頻的高頻二極管。另外，作為保護(hù)元件一般使用齊納二極管，但隨著周邊電路的精密化、應(yīng)用微細(xì)化，被要求使用更高性能的保護(hù)元件 — TVS (Transient Voltage Suppressor)。

按素子構(gòu)造來分類，主要分為現(xiàn)在主流的Planar形和耐高壓的臺(tái)地形。

現(xiàn)在最常用的半導(dǎo)體結(jié)合的方法，在硅基板上形成氧化膜，在必要的地方開孔把不純物擴(kuò)散結(jié)合。

擴(kuò)散結(jié)合形（PN結(jié)合形）※

把不純物熱擴(kuò)散到硅半導(dǎo)體里，形成叫做P形，N形的不純物擴(kuò)散領(lǐng)域。這個(gè)結(jié)合部產(chǎn)生叫做電位墻壁的墻壁。

肖特基勢(shì)壘型※

利用金屬與半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的電位墻壁的叫做肖特基墊壘形。很久以前就知金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)擁有整流特性，但理論說明的人是Mr.Shotoky，因此這個(gè)構(gòu)造的起名為肖特基墊壘。和PN形來比，恢復(fù)時(shí)間快，所以高頻的整流效果非常好，還有順方向電壓也低，功耗也少，所以廣泛用于高頻整流。

結(jié)合部像富士山，這個(gè)構(gòu)造的逆電壓 (VR) 容易變大，多用于整流二極管。耐壓容易做大，但相反與Planar形相比逆電流也變大，我公司的整流二極管是這個(gè)構(gòu)造。

按順方向電流大小來分，IF未滿1A的叫做小信號(hào)二極管，1A以上的叫做中功率/大功率二極管。

二極管排列，是指二極管集聚的復(fù)合二極管

封裝，實(shí)際安裝形狀，二極管有各種各樣的形裝．大體分為插件形和貼片形。市場(chǎng)數(shù)年前開始貼片成為主流，我公司也擁有充實(shí)的貼片形系列。

整流二極管 (Rectifier Diode) 顧名思義，是指對(duì)商用頻率的交流電進(jìn)行整流的二極管。整流的主要目的是將交流轉(zhuǎn)換為直流，其具有高電壓、高電流特性。另外，根據(jù)使用頻率和使用條件不同，轉(zhuǎn)換效率有所不同，提供低VF（正向電壓）、高速開關(guān)型、低噪音等產(chǎn)品。

顧名思義，是指具有開關(guān)功能的二極管。此二極管具有正向施加電壓時(shí)電流通過 (ON)，反向施加電壓時(shí)電流停止 (OFF) 的性能。反向恢復(fù)時(shí)間 (trr) 短，與其他二極管相比，開關(guān)特性優(yōu)異。

反向恢復(fù)時(shí)間 (trr) 是指開關(guān)二極管從導(dǎo)通狀態(tài)到完全關(guān)閉狀態(tài)所經(jīng)過的時(shí)間。一般關(guān)斷后電子不能瞬間停止，有一定量的反向電流流過。其漏電流越大損耗也越大。還正在開發(fā)優(yōu)化材料或擴(kuò)散重金屬?gòu)亩s短trr，抑制反沖后振蕩（振鈴）的FRD (Fast Recovery Diode) 等產(chǎn)品。

• trr是指電壓變?yōu)榉聪蚝螅钡诫娏髯優(yōu)榱愕臅r(shí)間。
• trr快速，則可以實(shí)現(xiàn)低損耗、高速開關(guān)。

一般的二極管是利用PN接合來發(fā)揮二極管特性，而肖特基勢(shì)壘二極管是利用了金屬和半導(dǎo)體接合產(chǎn)生的肖特基勢(shì)壘。 與一般的PN結(jié)二極管相比，具有正向電壓 (VF) 低，開關(guān)速度快的特點(diǎn)。但漏電流 (IR) 大，有如果熱設(shè)計(jì)錯(cuò)誤則引起熱失控的缺點(diǎn)。

廣泛用于電源部二次側(cè)整流。其特性根據(jù)使用的金屬不同而不同，ROHM利用多種金屬，推出如下產(chǎn)品陣容。

• 低VF型 RB1系列 * 低IR型 RB0系列
• 車載用超低IR型 RB**8系列

• 通過改變金屬種類，可制造低VF型、低IR型產(chǎn)品。

肖特基勢(shì)壘二極管在特性上會(huì)因正向電流大而導(dǎo)致發(fā)熱。發(fā)熱則漏電流 (IR) 變大，同時(shí)外殼溫度、環(huán)境溫度也上升。如果熱設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，發(fā)熱將高于散熱，達(dá)不到熱平衡持續(xù)發(fā)熱。其結(jié)果漏電流 (IR) 也持續(xù)增加，最終元器件遭到損壞。這種現(xiàn)象叫做熱失控。

• 周圍溫度高，則引起熱失控。

齊納二極管利用電流變化時(shí)電壓恒定的特點(diǎn)，用于恒壓電路，作為防止IC免受浪涌電流、靜電損壞的保護(hù)元件使用。其特點(diǎn)是一般的二極管是正向使用，而齊納二極管是反向使用。反向擊穿電壓稱為齊納電壓 (VZ) 、此時(shí)的電流值稱為齊納電流 (IZ) 。近年來隨著電子設(shè)備的微細(xì)化／高功能化的不斷發(fā)展，要求保護(hù)元件具備更高性能，在這種趨勢(shì)下逐漸拉大與TVS (Transient Voltage Suppressor) 的差別。

• 只有ZD利用了反向特性。

TVS是“Transient Voltage Suppressors”的首字母縮寫，是一種用于過電壓保護(hù)和 ESD保護(hù)的器件。

TVS二極管用來保護(hù)后段的IC免受由靜電和電源波動(dòng)引起的意外過電壓和浪涌的影響。 整流二極管和肖特基勢(shì)壘二極管利用的是二極管的正向特性，而TVS二極管與齊納二極管（ZD）一樣，利用的是二極管的反向特性。 如下圖所示將TVS二極管與IC并聯(lián)，當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS二極管處于OFF狀態(tài)，只消耗一定的漏電流。 當(dāng)被施加了浪涌等過電壓時(shí)，TVS二極管會(huì)變?yōu)镺N狀態(tài)，并且TVS側(cè)會(huì)消耗脈沖電流，從而鉗制過電壓并保護(hù)后段的IC。

TVS二極管的極性是與電路品質(zhì)相關(guān)的項(xiàng)目。 單向TVS可用作LH等單極電路的保護(hù)器件，不適用于保護(hù)雙極電路。 雙向TVS可以用于正負(fù)兩極的保護(hù)，因此適用于保護(hù)雙極電路和CAN等數(shù)據(jù)線路。 此外，雙向TVS也可用于保護(hù)單極電路。

TVS和ZD在利用二極管的反向特性方面是相同的，但是由于ZD主要用于恒壓應(yīng)用，因此對(duì)電壓穩(wěn)定的低電流范圍（5mA～40mA）規(guī)定了“齊納電壓（VZ）”。 此外，ZD基本上在ON狀態(tài)下使用。 而TVS為了不影響IC的驅(qū)動(dòng)電壓，在電路正常工作期間處于OFF狀態(tài)，當(dāng)被施加了浪涌等突發(fā)過電壓時(shí)，擊穿電壓值變得越發(fā)重要。 因此，規(guī)定了絕對(duì)不會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┑膬蓚€(gè)電壓——“截止電壓（VRWM）”和“擊穿電壓（VBR）”。 此外，由于其主要用途是過電壓保護(hù)，因此，作為保護(hù)特性，對(duì)幾A～幾十A范圍內(nèi)的大電流范圍特性也有規(guī)定。

由電阻值高的I型半導(dǎo)體制成，其特點(diǎn)是引腳間電容(CT)非常小。正向電壓條件下,具有可變電阻特性，反向電壓條件下,具有電容器特性。利用其高頻特性（引腳間電容小，因此對(duì)通信線沒有影響），作為高頻信號(hào)開關(guān)（帶天線的移動(dòng)設(shè)備），衰減器，AGC電路用可變電阻元件使用。

二極管引腳間施加反向電壓時(shí)，存儲(chǔ)的電荷量稱為引腳間電容(CT)。接合P層和N層，則空穴與電子結(jié)合，在界面形成電氣特性為中性的耗盡層。 耗盡層起到寄生電容器的作用，其電容值(CT) 與PN結(jié)的面積成正比，與距離 (d) 成反比。距離由P層、N層濃度等因素設(shè)計(jì)而成。向二極管施加電壓，則耗盡層擴(kuò)大，CT下降。 根據(jù)使用的應(yīng)用不同，其要求的CT值不同。

• 耗盡層越寬（d大）CT越低。

常見問題

https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete/chap2/chap2-9.html

可變電容二極管是利用耗盡層電容特性的產(chǎn)品。當(dāng)施加反向電壓時(shí)，耗盡層出現(xiàn)在二極管的pn結(jié)中，其厚度與反向電壓成正比。

因此，隨著反向電壓的增加，耗盡層厚度增加，但電容減小。其作用與增加電容器兩個(gè)電極之間的距離相同。相反，如果反向電壓減小，耗盡層厚度減小，但電容增加。

它應(yīng)用于調(diào)諧電路等。由于這種電容變化會(huì)改變頻率特性，因此與普通二極管相比，需要較大的電容變化率。

可變電容二極管與一般二極管不同，其重要特性不是正向電壓VF和開關(guān)特性，而是電容值及其變化（取決于電壓）。