一、模電復(fù)習(xí)部分

1.基礎(chǔ)概念

本征半導(dǎo)體：純硅，自由載流子較少

P型半導(dǎo)體：摻雜有第三主族元素的硅，要形成與之前相似的化學(xué)鍵，會(huì)產(chǎn)生空穴，帶正電荷

N型半導(dǎo)體：摻雜有第五主族元素的硅，會(huì)產(chǎn)生自由電子，帶負(fù)電荷

需要注意的是，無(wú)論N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體還是二極管，均為電中性，原因很簡(jiǎn)單，在生產(chǎn)過(guò)程中加入的所有元素均為電中性，產(chǎn)物自然不會(huì)帶電。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：粒子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)的過(guò)程

漂移運(yùn)動(dòng)：粒子由濃度低的區(qū)域向濃度高的區(qū)域運(yùn)動(dòng)的過(guò)程

PN結(jié)：P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體拼在一起，由于空穴帶正電，電子帶負(fù)電，擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)使電子與空穴在交界處發(fā)生中和(具體的過(guò)程了解的不是很清楚，先這么理解)。由于先前P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體均為電中性，但電子與空穴運(yùn)動(dòng)至對(duì)面，所以在中間的位置會(huì)產(chǎn)生帶正電與負(fù)電的區(qū)域，如下圖所示：

正負(fù)電荷形成電場(chǎng)，注意電場(chǎng)方向，在之后分析二極管的正反特性時(shí)很重要

2.二極管的工作原理分析

二極管的正向偏置：

如圖所示，當(dāng)在二極管兩端施加正向電壓時(shí)，外電池(電池電壓)與內(nèi)電場(chǎng)(P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間電場(chǎng))方向相反，外電場(chǎng)阻礙了多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使耗盡層被削弱，促進(jìn)了電荷按照外電場(chǎng)的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，壓降較小。

正向電壓過(guò)小時(shí)，電路中的電荷無(wú)法克服內(nèi)電場(chǎng)的作用，表現(xiàn)為電路中電流較小

二極管的反向偏置：

如圖所示，施加反向電壓時(shí)，與剛才的過(guò)程相反，外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)相同，外電場(chǎng)促進(jìn)了多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，耗盡層變厚

當(dāng)反向電壓過(guò)大時(shí)，電荷在電場(chǎng)中收到力的作用，電荷動(dòng)能增加，與化學(xué)鍵中的電子相碰撞，當(dāng)動(dòng)能足夠大時(shí)，碰撞會(huì)造成化學(xué)鍵的斷裂，釋放出的電子接著碰撞其他電子，最終導(dǎo)致二極管結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，該過(guò)程稱為雪崩擊穿。

二極管的伏安特性曲線：

二、電力二極管

1.電力二極管的使用場(chǎng)景

電力二極管一般使用在高壓、大電流的場(chǎng)景下，在反向大電壓下不被擊穿，能通過(guò)正向大電流的能力顯得尤為重要。

2.電力二極管的構(gòu)造

電力二極管截面積一般大于普通二極管，以此通過(guò)更大的電流。

除了我們上面介紹的PN型二極管，電力二極管中更普遍的為PIN二極管。PIN二極管分為p+，n-，n+三個(gè)區(qū)域。其中“+”號(hào)表示摻雜濃度較大，“-”號(hào)表示摻雜濃度較小

低濃度摻雜區(qū)域主要用于耐受更高的反向電壓。由于該區(qū)域內(nèi)其他元素?fù)诫s濃度較低，能夠維持正向?qū)ǖ耐瑫r(shí)為多子的擴(kuò)散提供了緩沖區(qū)域，使其能夠耐受更高的反向電壓而不被擊穿

3.電力二極管的動(dòng)態(tài)特性

1)關(guān)斷過(guò)程

無(wú)論是普通的PN型二極管還是PIN型二極管，由于耗盡層與N-區(qū)域的存在，形成了一個(gè)類似于電容的結(jié)構(gòu)，稱之為結(jié)電容。

當(dāng)二極管由正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)移至反向關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，由于結(jié)電容的存在，電流會(huì)從正向轉(zhuǎn)換為負(fù)向(可理解為電容放電過(guò)程)由于電容的電壓不突變特性與電磁感應(yīng)定律，在儲(chǔ)存的電荷未完全釋放時(shí)，二極管兩端的電壓基本維持不變(圖中所示的td時(shí)間內(nèi))

之后電壓迅速下降(類比于電容的反向充電過(guò)程)，波谷的出現(xiàn)則是由于電路中存在一定的電感，隨后電壓回復(fù)至反向電壓處

2)開通過(guò)程

在開通過(guò)程中，要克服先前在關(guān)斷狀態(tài)下二極管產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)，需要一個(gè)較大的電壓來(lái)克服這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，且隨著電流的增大，由于器件本身具有一定的電感，會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)阻礙變化的發(fā)生，因而出現(xiàn)一個(gè)尖峰。

需要注意的是，相較于關(guān)斷過(guò)程，開通過(guò)程通常時(shí)間較短，可忽略不計(jì)。

3)一些描述該過(guò)程的參數(shù)

關(guān)斷過(guò)程：

延遲時(shí)間td;電流下降時(shí)間tf;反向恢復(fù)時(shí)間trr = td + tf;反向峰值電流IRP;反向峰值電壓URP

開通過(guò)程：

過(guò)充電壓UFP;正向恢復(fù)時(shí)間tfr

4.常用電力二極管種類及特點(diǎn)

1)普通二極管：

有PN結(jié)，多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中;缺點(diǎn)是反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5以上;優(yōu)點(diǎn)是正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。等級(jí)齊全，有等級(jí)很高的品種。

2)快速恢復(fù)二極管：

快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓(耐壓值)較高。

其正向壓降高于普通二極管(1-2V)，反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100納秒以下。

3)肖特基二極管：

肖特基二極管(SBD)是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬-半導(dǎo)體(接觸)二極管或表面勢(shì)壘二極管。

由于肖特基二極管結(jié)構(gòu)中不含PN結(jié)，在開通與關(guān)斷過(guò)程中不會(huì)有上文中所描述的動(dòng)態(tài)特性，而是在兩個(gè)電壓之間進(jìn)行平滑的過(guò)渡，大大降低了恢復(fù)時(shí)間，甚至可以小到幾納秒。

原理：肖特基二極管是貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的勢(shì)壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。因?yàn)镹型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴(kuò)散。顯然，金屬A中沒(méi)有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨著電子不斷從B擴(kuò)散到A，B表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢(shì)壘，其電場(chǎng)方向?yàn)锽→A。但在該電場(chǎng)作用之下，A中的電子也會(huì)產(chǎn)生從A→B的漂移運(yùn)動(dòng)，從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場(chǎng)。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡，便形成了肖特基勢(shì)壘。

肖特基二極管也有其缺陷，由于元件原理是勢(shì)壘形成的電場(chǎng)，因而肖特基二極管無(wú)法承受過(guò)高的反向電壓，且其反向漏電流較大。因此，常被使用于高速、低壓、大電流的場(chǎng)景中。