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文档简介
第第页二极管基础知识与选型规范
01
(半导体)基础和PN结
1.1N型半导体
n型半导体是指以磷(P)、砷(As)或锑(Sb)作为杂质进行掺杂的本征半导体。第IV组的硅有四个价(电子),第V组的磷有五个价电子。如果在纯硅晶体中加入少量磷,磷的一个价电子就可以作为剩余电子自由移动(自由电子*)。当这个自由电子被吸引到“+”电极上并移动时,就产生了(电流)流动。这个自由电子就是n型半导体的载流子。
Fig1.N型半导体
1.2P型半导体p型半导体是指掺杂了硼(B)或铟(In)的本征半导体。第IV组的硅有四个价电子,第III组的硼有三个价电子。如果将少量硼掺杂到硅单晶中,在某个位置上的价电子将不足以使硅和硼键合,从而产生了缺少电子的空穴*。在这种状态下施加电压时,相邻的电子移动到空穴中,使得电子所在的地方变成一个新的空穴,这些空穴看起来就像按顺序移动到“–”电极一样。这个空穴就是p型半导体的载流子。
Fig2.P型半导体
1.3PN结
p型和n型半导体之间的接触面即称为PN结。p型和n型半导体键合时,作为载流子的空穴和自由电子相互吸引、束缚并在边界附近消失。由于在这个区域没有载流子,所以它被称为耗尽层,与绝缘体的状态相同。
在这种状态下,将“+”极连接到p型区,将“-”极连接到n型区,并施加电压使得电子从n型区顺序流动到p型区。电子首先会与空穴结合而消失,但多余的电子会移动到“+”极,这样就产生了电流流动。
Fig3.PN结
02
(二极管)的分类及特点介绍
二极管大类分为是带有pn结和替代结(肖特基)的双端半导体器件。
Fig.4二极管的分类
2.1整流二极管
二极管有一个特性是电流流动(正向)或不流动(反向)取决于施加电压的方向。利用这个特性,二极管可以对交流电压进行整流。
Fig5.整流二极管的工作区域
整流二极管的正向特性(If-Vf):
整流二极管的正向特性随电流电平和温度的变化而变化。在低电流区,VF在高温时较低,而在大电流区的情况则相反。一般来说,使用二极管时,应在Q点(上述两种情况的交叉点)以下有足够的温度裕量。
Fig.6整流二极管的正向特性
(1)以载流子迁移为主的蓝色区域:VF随着温度的升高而降低。由于载流子在受热时很容易移动,因此VF在高温时比低温时低。
(2)以载流子碰撞为主的红色区域:VF随着温度的升高而升高。当大电流流动时,许多载流子会移动。在高温情况下,载流子之间的碰撞概率增加,VF比低温时高。
2.2FRD快速恢复二极管
快速恢复二极管的结构和功能与整流二极管相同。整流二极管用于500H以下的低频应用,而FRD则用于从几千赫兹到100kHz的高频开关。因此,二极管具有反向恢复时间(trr)很短的特性,这对高速开关非常重要。
一般整流二极管的trr为几微秒到几十微秒。另一方面,FRD的trr是几十纳秒到几百纳秒,约为整流二极管的1/100。它应用于(开关电源)、逆变器、(DC/DC)转换器等。
Fig7(a)二极管开关波形和损耗实例(b)通用整流器与FRD的trr比较
当频率较低时,由trr引起的损耗(反向恢复损耗)可以忽略不计,但这种损耗会随着频率的增加而增加,当频率变为几千赫兹或更高时,则损耗不能忽略。
2.3Zener稳压二极管
稳压二极管利用了pn结的反向特性。当提高pn结二极管的反向电压时,大电流在一定的电压下开始流动,并得到恒定的电压。(这种现象称为击穿,其电压称为击穿电压。)
稳压二极管积极利用了这一特性。由于这种击穿电压也被称为齐纳电压,所以稳压二极管也被称为齐纳二极管。该电压可用作恒压(电源)或电子电路的参考电压。
Fig.8齐纳二极管的电特性
一般情况下,当电压小于或等于6V时,会观察到齐纳现象。如果电压超过6V,雪崩现象将超过齐纳现象成为主导。齐纳电压和雪崩电压具有不同的温度特性,前者的温度系数为负,后者的温度系数为正。
2.4TVS二极管
TVS二极管((ESD)保护二极管)是一种齐纳二极管。它是用于解决静电放电(ESD)问题的二极管。它可以保护(集成电路)和其它电路。
TVS二极管将吸收接口、外部端子等的异常电压,防止电路故障并保护器件。它适用于吸收和抑制静电或短脉冲电压。
Fig.9TVS二极管的电特性
TVS与Zener二极管的差异:
(a)TVS二极管(ESD保护二极管)在短时间内吸收很高的过电压,其作用是避免对其它半导体器件施加过大的电压。
(b)齐纳二极管将输入电压钳制为恒定电压,并将钳制的电压提供给其它半导体器件。
因此两者的差异在于,TVS二极管吸收浪涌电压以保护其它半导体器件,而齐纳二极管为其它半导体器件提供恒定电压。
2.5可变(电容)二极管
可变电容二极管是利用耗尽层电容特性的(产品)。当施加反向电压时,耗尽层出现在二极管的pn结中,其厚度与反向电压成正比。
因此,随着反向电压的增加,耗尽层厚度增加,但电容减小。其作用与增加(电容器)两个电极之间的距离相同。相反,如果反向电压减小,耗尽层厚度减小,但电容增加。
它应用于调谐电路等。由于这种电容变化会改变频率特性,因此与普通二极管相比,需要较大的电容变化率。
Fig.10可变电容二极管的电特性和符号
2.6肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管(SBD)是一种采用半导体和金属(比如:钼)结合,而不是采用pn结的器件。一般来说,金属与n型层结合的半导体已经实现了商业化。由于其正向电压小,反向恢复时间短,所以适合于高速开关应用。
对于SBD而言,正向电压(VF)和反向漏电流之间存在折衷关系。
根据所使用的金属,通常来说反向耐受电压约为20至150V,VF约为0.4至0.7V,低于pn结二极管的值。
Fig.11肖特基结构和(电气)特性
SBD由于结电容几乎不受温度的影响,所以从室温到高温trr相同。对于pn结二极管而言,trr会随着温度的升高而变长。所以SBD的开关特性越来越具优越性,适合用于高频开关。
对于SBD而言,半导体由n型层组成,因此金属充当二极管的阳极。同样地,只有电子是载流子,SBD变成了类似(MOSFET)的单极元件。
硅的能级不同于金属(能隙)。该能级因金属元素而异。符号ΦB用于表示不同的能隙。Pt(铂)是一种具有大能隙的金属。V(钒)或(Ti)(钛)是具有小能隙的金属。采用ΦB大的金属,泄漏电流小,但是正向电压VF大。采用ΦB小的金属,则情况相反。
03
二极管的选型范
二极管的重要参数:
3.1额定电流
额定整流电流IF指二极管长期运行时,根据运行温升折算出来的平均电流值。
3.2最大平均整流电流Io
最大平均整流电流IO:在半波整流电路中,流过负载电阻的平均整流电流的最大值。折算设计时非常重要的值。
3.3最大浪涌电流IFSM
运行流过的过量的正向电流。不是正常的电流,而是瞬间电流,这个值相当大。
3.4最大反向峰值电压(VR)M
即使没有反向电流,只要不断地提高反向电压,迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压,不是瞬时电压,而是反复加上的正反向电压。因给整流器加的是交流电压,它的最大值是规定的重要因子。最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前最高的VRM值可达几千伏。
3.5最大反向电压VR
上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压,VR是连续加直流电压的值。用于直流电流,最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。
3.6最高工作频率fM
由于PN结的结电容存在,当工作频率超过某一值时,它的单向导电性将变差。点接触式二极管的fM值较高,在100MHz以上;整流二极管的fM较低,一般不高于几千Hz。
3.7反向恢复时间Trr
当正向工作电压从正向电压变成反向电压时,二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上,一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量,就是反向恢复时间。
3.8最大功率P
二极管中有电流流过,就会吸热,而使自身温度升高。最大功率P为功率的最大值。具体讲就是加载二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管,可变电阻二极管显得特别重要。
3.9反向饱和漏电流IR
指在
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