二極管的特性和分類

在半導體器件中，PN結是最基本的半導體結構。如果將PN半導體封裝起來，就形成了二極管器件。簡單來說二極管就是一個具有單相導電性的PN結，但是在實際工程應用中，不同應用場景的需求誕生了不同類型的二極管。本文主要介紹二極管的特性和分類。

1、二極管正向VI特性

二極管的正向VI特性滿足以下的公式：Is 為反向飽和電流，由于熱激發產生的少數載流子數量恒定(一定溫度條件下)，反向飽和電流Is也趨于恒定;VT 為熱力學電壓，是根據愛因斯坦公式推導出來的，室溫下VT≈26mV;n為發射效率，Si半導體(IC電路)中1

由上述公式可以畫出二極管的VI曲線。如圖1-1，當二極管正向電壓超過門檻電壓，二極管電流呈指數劇烈上升。在門檻電壓以下，二極管也會存在一定的電流，圖1-1右，當電流很小的時候也會有微小的電壓，這段的電流非常小，因此可以簡單認為二極管是“截止”的。

圖1-1 二極管的正向壓降二極管的正向壓降曲線隨溫度是會發生變化的。如圖1-2所示，在小電流條件下，載流子的移動隨著溫度的升高加快，因此溫度越高壓降越低，二極管導通壓降呈現負溫度系數特性;在大電流條件下，載流子的碰撞占主導，載流子壽命降低，溫度越高壓降越大，二極管導通壓降呈現正溫度系數特性。

圖1-2 二極管的正向壓降隨溫度的變化

2、二極管反向耐壓

PN結如果不是特別的摻雜處理，將二極管不斷增加反向電壓，達到一定電壓條件后，二極管將發生雪崩擊穿。在應用中，我們需要給反向耐壓留有一定的余量，一般不超過二極管反向耐壓的80%。在二極管未發生雪崩擊穿的中間電壓，為反向偏置電壓(Reverse bias region)，該電壓會產生一定的反向漏電流，在一些低功耗的電路設計中需要特別注意該漏電流的水平。

3、二極管的分類

如圖所示，二極管可以分為兩個大類：PN結型和金屬-半導體結型(肖特基)。根據不同的應用場景，又可以將二極管分為：整流二極管(RD)、快恢復二極管(FRD)、瞬態電壓抑制二極管(TVS)、穩壓/齊納二極管(Zener)、變容二極管(VCD)、高頻二極管等。

圖3-1 二極管的分類

3.1 整流二極管(Rectifier Diode)

整流二極管主要利用PN結的單相導電性，控制電流的通斷。如圖3-2，整流二極管主要工作在正向導通區和反向截止區(圖中紅色區域)。整流二極管在使用過程中，需要特別注意不能超過其規定的正向電流和反向電壓限值。

圖3-2 整流二極管工作區

利用二極管的單相導電性，在信號電路中，可以用來構造邏輯電路。如圖3-3，通過兩個信號二極管D1、D2構成一個“或門”，V1或者V2為高電平，Vo輸出高電平;通過兩個信號二極管D1、D2構成一個“與門”，V1和V2為高電平，Vo輸出高電平。

圖3-3 二極管構建邏輯電路

3.2 快回復二極管(FRD)

在開關電源拓撲中，二極管往往需要承受高頻率的開通和關斷的動作。如圖3-4，是一個典型的BUCK電路拓撲結構，二極管D除了產生正向導通帶來的損耗;在二極管關斷的瞬間由于結電容的存在，二極管存在一個反向的恢復電流。

圖3-5 BUCK電路中的二極管

恢復電流*反向電壓會得到一個很高的損耗脈沖，這個損耗的大小和二極管反向恢復電流Irr的大小和反向恢復時間trr成正比。如圖3-6，快恢復二極管(FRD)和普通二極管比較，其優化了二極管的反向恢復特性，從波形中可以看出FRD反向恢復損耗有明顯的降低。

圖3-6 二極管的反向恢復比較

3.3 肖特基二極管(SBD)

肖特基二極管是在N型半導體上，半導體中的電子逃逸到金屬中，在金屬和半導體結合面形成耗盡層(需要特殊的金屬和半導體摻雜相關，這里不展開)。如圖3-7，當在二極管加上反壓，耗盡層增加，沒有電流流過;當在二極管兩端加上正向電壓，耗盡層被抵消，有電流通過。值得一提的是，肖特基由于沒有P型半導體的參與，因此該二極管只有一種載流子(電子)，屬于單載流子器件。

圖3-7 肖特基二極管的原理

肖特基勢壘能級較低，很難制造高壓的肖特基二極管，一般SBD的電壓在20~150V之間。隨著寬禁帶半導體(典型的SiC)的發展，高壓的SiC-SBD的使用已經日益廣泛。如圖3-8，和PN結型二極管相比，肖特基二極管具有更小的正向導通壓降，同時具有較大的反向漏電流。在應用過程中都是需要注意的。

圖3-8 肖特基二極管和PN二極管的特性比較

3.4 穩壓二極管(Zener)和TVS

穩壓二極管是利用兩個高摻雜的P型半導體和N型半導體結合而成，摻雜濃度高，使得PN結的勢壘區特別的薄，有利于載流子的漂移。因此，在穩壓二極管的兩端加上一定的反向電壓(需要外部限流)，二極管能夠迅速形成齊納擊穿，將電壓鉗位在一定的范圍。如圖3-9，反向擊穿電壓的曲線非常的陡峭。

圖3-9 齊納二極管特性曲線

典型的穩壓二極管應用電路如圖3-10所示，輸出電壓的特性曲線如右圖，當輸出電流過大(io，max右側)穩壓二極管將退出齊納擊穿區，進入反向偏置區，輸出電壓和電流按照歐姆定律變化。

圖3-10 穩壓二極管的應用輸出

TVS被稱為瞬態電壓抑制二極管，主要用于吸收瞬態的電壓浪涌。其需要的響應速度要比穩壓管的速度快得多，并且具有較大的抗沖擊能力，因此一般TVS管的封裝都做得比較大。如圖3-11，TVS在最要工作在擊穿的瞬間，而穩壓管需要工作在一個穩定的擊穿狀態下。

圖3-11 穩壓二極管和TVS比較