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      6. 二極管的知識普及
        • 發(fā)布時間:2020-09-18 18:47:12
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        二極管的知識普及
        1.空間電荷區(qū)
        在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸邊界,由于自由電子的擴散運動和內(nèi)電場(N指向P)導(dǎo)致的漂移運動,使PN結(jié)中間的部位(P區(qū)和N區(qū)交界面)產(chǎn)生一個很薄的電荷區(qū),它就是空間電荷區(qū)(即PN結(jié))。在這個區(qū)域內(nèi),多數(shù)載流子已擴散到對方并復(fù)合掉了,或者說消耗殆盡了,因此,空間電荷區(qū)又稱為耗盡層 。
        空間電荷區(qū)的寬度取決于半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度,摻雜濃度愈高,對應(yīng)的空間電荷區(qū)寬度就愈窄。另外,空間電荷區(qū)的寬度還受外加電壓控制,當(dāng)外加電壓方向增強空間電荷區(qū)電場時,空間電荷區(qū)展寬,反之,外加電壓削弱空間電荷區(qū)電場時,空間電荷區(qū)變窄。
        空間電荷區(qū)的寬度決定了PN結(jié)的電容效應(yīng),空間電荷區(qū)寬度越大則呈現(xiàn)的電容也越大,決定了管子的頻率應(yīng)用場合。
        2.反向擊穿
        如果PN結(jié)承受的反向電壓超過了它的臨界值,導(dǎo)致電場強度超過了臨界電場強度,那么就會觸發(fā)碰撞電離,導(dǎo)致雪崩效應(yīng)或者載流子倍增效應(yīng),即在空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)目會迅速增加,即原來很小的反向電流就會急劇增加導(dǎo)致毀壞半導(dǎo)體,這種擊穿模式叫做Ⅰ型擊穿。
        當(dāng)半導(dǎo)體中的損耗足夠大,產(chǎn)生發(fā)熱和電流不均勻分布,導(dǎo)致某些局部電流超過最大允許電流密度,隨之電壓迅速下降而電流急劇上升,這種叫做Ⅱ型擊穿。通常Ⅱ型擊穿之前就會產(chǎn)生Ⅰ型擊穿。
        二極管所能承受的最大反向電壓取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)與摻雜參數(shù)。實際應(yīng)用中為了提高二極管的反向耐壓,在P區(qū)和N區(qū)之間增加一層低摻雜N區(qū),也就是漂移區(qū),低摻雜N區(qū)由于摻雜濃度低而接近于無摻雜的純半導(dǎo)體材料(本征半導(dǎo)體),稱為P-I-N結(jié)構(gòu)。由于摻雜濃度低,低摻雜N區(qū)就可以承受較高的電壓而不被擊穿,而低摻雜N區(qū)越厚,二極管能夠承受的反向電壓就越高。
        3.二極管的特性
        (1)單向?qū)щ娦?/div>
        二極管的單向?qū)щ娦栽从诳臻g電荷區(qū)具有單向?qū)щ娦浴N結(jié)加正向電壓時,外加電場與內(nèi)電場方向相反且遠強于內(nèi)電場,使得多子的擴散運動遠大于少子(P或N半導(dǎo)體的多子到對方區(qū)域形成少數(shù)載流子稱為少子 )的漂移運動,可以有較大的正向擴散電流,即呈現(xiàn)低電阻,稱為PN結(jié)導(dǎo)通;
        PN結(jié)加反向電壓時,外加電場與內(nèi)電場方向相同,使得總的電場增強,于是使得少子的漂移運動遠大于多子的擴散運動,形成反向電流,使得空間電荷區(qū)加寬,呈現(xiàn)高電阻,稱為PN結(jié)截止。
        PN結(jié)二極管的外加電壓頻率高到一定程度,則失去單向?qū)щ娦浴R驗镻N結(jié)反向截止時形成一個耗盡層,相當(dāng)于一個中間絕緣層的一個小電容,因此當(dāng)電壓頻率升高后,高頻信號會通過這個小電容穿過,也就是反向信號也可以穿過二極管,就失去單向?qū)щ娦粤恕?/div>
        (2)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)
        當(dāng)二極管流過的正向電流較小時,二極管的內(nèi)阻主要是是作為基片的低摻雜N區(qū)的電阻,其阻值較高且為常量,因而管內(nèi)電壓降隨正向電流上升而增加。當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較大的時候,由于擴散運動P區(qū)注入并累積在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大,為了維持半導(dǎo)體的電中性條件,其多子濃度也相應(yīng)地增加,使其電阻率大幅度下降,也就是電導(dǎo)率大大增加,這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。
        (3)伏安特性
        二極管的知識
        (4)反向恢復(fù)特性
        硅PN結(jié)二極管外加正向電壓導(dǎo)通時,PN結(jié)上會有非平衡少數(shù)載流子的積累,形成所謂電荷存儲效應(yīng)。當(dāng)二極管由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為外加負(fù)電壓截止時,這些存儲的少數(shù)載流子的消失需要一定時間,這段時間就是二極管的反向恢復(fù)時間,這段時間里在二極管中形成的電流即為二極管的反向恢復(fù)電流。在反向恢復(fù)瞬間,反向恢復(fù)電流變化率很大,將形成反向電壓過沖,在二極管兩端有反向電壓降,即二極管的關(guān)斷瞬間出現(xiàn)電壓下沖。于是,在buck電路中當(dāng)PWM開通的時刻,續(xù)流二極管由正向?qū)ǖ椒聪蚪刂蛊陂g,在開關(guān)節(jié)點SW處會出現(xiàn)上沖,其幅度為輸入電源加上續(xù)流二極管的反向電壓降。
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