1、二極管結構原理

如下是功率二極管的原理圖：

二極管主要是由一個P型和一個N型半導體組成，算是最簡單、使用最廣泛的器件，二極管的功能很簡單 ： 正向導通，反向關閉。

其原理就是一個PN的節的原理，而后面的三極管等都只是PN節的疊加，下面的知識幾乎是所有功率器件的基礎。

在實際二極管型號中一般會有一個白色的圈表示為負極。

從二極管的結構來看，其實就是一個PN節，只要PN足夠近（電子軌道連接）就使得PN節形成了一個大晶體，從而兩邊的載流子和相互交換移動等。

然而P型半導體中空穴的濃度高，而N型半導體電子的濃度高，在沒有加電壓即沒有靜電場的情況下，不會存在載流子的漂移運動，但由于載流子濃度差存在擴散運動。

如上圖所示由于PN載流子濃度不同形成擴散，擴散前PN均不帶電呈中性，這里特別要注意的是PN半導體材料中的電子和空穴的濃度高不是說其獨立的電子和空穴濃度，而是處于導帶中的電子和空穴濃度。

一旦產生擴散以后P型半導體中會進來更多的電子，而N型半導體中會進來更多的空穴，所以P型半導體會帶上負電，而N性半導體會帶上正電。

這樣在擴散的過程中會形成擴散電流，其中中間區域肯定是首先開始擴散，這樣兩邊擁有不同的電荷就形成了靜電場。

如上圖所示在電場的作用下P中的電子會向N中漂移，形成N--》P的漂移電流，同樣空穴也是類似的，那么擴散電流與漂移電流反向相反，最終擴散電流與擴散形成的電場產生的漂移電流相等形成了穩態。

中間存在電荷的區域也叫空間電荷區，空間電荷區以外是中性區，這樣PN節交界處的電場強度最強，越往兩邊越弱。

2、PN節零偏

零偏就是外部沒有電流流過，二極管處于穩定狀態，前面了解到，PN節中間會存在一個電場，那么相當于二極管兩端有一個類似于電壓源的形式，且對于Si材料電壓差一般約為0.7V。

電場強度是電荷的積分，而電勢為電場對距離的積分，波形如上圖所示，既然存在電勢差我們應該可以使用萬用表進行測量，而你會發現實際是無法測量的，原因如下：

由于在測量過程中PN節分別與金屬表筆形成肖特節，而肖特節會存在0.35V的壓降，剛好與PN節的0.75V抵消，無法測量到電壓。

3、PN節正偏

當使用電壓源給二極管供電，如下圖所示：

外界電源所產生的電場剛好與PN節內部的電場反向，最終使得勢壘區范圍縮小，與外界電壓滿足KVL不變，從而導致PN節內部的漂移電流降低。導致N區的電子或者P區的空穴不斷地向對方擴散，那么擴散到對方的空穴或者電子不能夠再擴大勢壘區，而是經過電源進行了電荷的交換，使得PN節的電子或者空穴濃度保持不變。

PN節的電子或者空穴濃度沒有發生改變，那么擴散電流就不會發生變化，可以達到很大的擴散電流并一直維持，同時在擴散區的載流子濃度都會增加。

當在PN節兩端加多大的正向電壓，勢壘區就會減少多少，最終外部電源抵消勢壘區電壓便可以產生較大電流，所以需要在二極管正向加一定的電壓才能夠導通，導通以后的壓降很低，阻抗也比較小。

外部不加電壓的情況下，會存在一定的時間來形成勢壘區，一般的二極管的在1ms左右，快速地在us級別。

二極管正向導通存在電導調制效應，電流越大，電導越大，因為電流越大，擴散區的載流子濃度越高，也就可以降低二極管的壓降。

4、PN節反偏

PN節反偏就是讓PN節中的勢壘區變更寬，如下圖所示：

在反偏的狀態下，其擴散電流是不會發生變化的，在外部電源的加持下，使得外部電場與內部電場疊加形成的漂移電流會大于擴散電流，但是雖然電場強度增強，而電流的增加需要有較多的載流子，N區沒有足夠的電子，電源也無法提供電子，所以其反向電流非常小，一般為uA級別。

當然也可以通過分析PN節中各載流子濃度進行分析，其擴散區的載流子濃度都會降低。

對于正偏和反偏都是存在電流的，只是電流的大小不同，所以都是處于不平衡狀態，僅僅只有零偏的時候二極管才處于平衡狀態，每個地方的電子*空穴濃度才大約為10^20次方，而反偏中間載流子乘積小于10^20次方，處于正偏中間載流子乘積大于10^20次方。

5、擊穿

當在二極管上加一定的反向電壓，其P區的空穴濃度很低，N區的電子濃度也很低，其僅僅只會有uA級別的電流存在，前面對于二極管的反偏機制就已經說明了其不可能形成大的反向電流，當反向電壓足夠就會導致擊穿。

擊穿也分為雪崩擊穿、齊納擊穿和熱擊穿

其中雪崩擊穿是外部電場給電子足夠的動能，從而通過電子的之間的碰撞使得更多價帶的電子脫離價帶進入導帶，產生更多的電子和空穴，這樣載流子濃度增加，最終產生較大的電流。

齊納擊穿，當勢壘區比較薄，電子在強電場作用下會存在直接通過的情況。

熱擊穿，溫度太高，使得電子動能增加，最終載流子濃度增加，一般Si半導體器件不能超過150度。

6、動態特性

二極管在正反切換過程會產生一定的動態效應，如電容效應。當二極管兩端加反向電壓的時候勢壘區會變寬，其中的電荷也就越多，C=dQ/dV，從而呈現出電容的效應，也叫勢壘電容。

不僅僅勢壘區電荷會隨著電壓的變化而變化，還有擴散區也會呈現出該特性。

但是二極管的電容效應主要是正偏時候的電容效應大，且主要是擴散電容，而反向相對比較小，主要是勢壘電容。

電容效應會影響二極管的工作頻率，尤其是高速的開關狀態，會使得高頻信號直通，如下圖所示：

二極管的原理和特點就先講到這里，更加詳細的特點可以參考半導體導電材料學等知識。
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