半导体器件基本原理一谈

2019年7月18日 FireSu 3262  0  0
二极管器件的历史意义,二极管器件的原理,如何应用二极管器件?

传统的电路基本由“阻容感类”器件组成。常见的器件有:电阻、电容、电感、变压器等。如今的电路(截止2020年),“半导体类”器件占了很大一部分比例,常见的器件有:IC(继承电路)、二极管、三极管、MOS管、场效应管、发光二极管等等。“半导体类”器件的种类甚至已经远远超过了“阻容感类”基本器件,而且应用也更加的广泛。

所以入门现代电路设计,就必须掌握“半导体类器件”。半导体器件主要分为3类,集成电路、二极管类器件和三极管类器件。“二极管类”器件主要有二极管、LED等,“三极管类”器件主要有晶体管、MOS管,JFET。集成电路顾名思义,就是把传统的电路集成在一起,封装成体积更小的模块电路。

本文主要讲解二极管的历史背景,原理,以及工程设计中,必须要掌握和关注的参数。

二极管的历史意义

在爱迪生发明直流电之后,直流电有大的传输局限性(详见电路分析基础之从零阅读(三))。虽然后续特斯拉推广了交流电,交流电成功克服了直流电的传输特性,也可以点亮灯泡,让交流电机运转。但是交流电仍然有自己的缺点,由于交流电的电压电流方向经常变化,而且电压和电流存在相位差,在很多应用中无法应用,所以在爱迪生的年代,直流电和交流电是完全不同的派系。二者甚至成敌对状态(历史著名的直流交流之争)。

但是,如果传输的时候用交流电传输,传输完成后,再把交流电转化为直流电来应用。岂不是既能解决直流电传输困难的问题,又能解决交流电应用困难的问题呢。是的,前辈们很聪明。二极管的出现就成功地解决了这一历史问题。

爱迪生在研究灯泡时,发现了一个奇怪的现象,在加热的灯丝(碳)及其附近的防污染的金属片之间加上电压后,虽然碳丝与金属未连接,但是接上电流计后,能观察到电流计中有电流通过,这个现象被称为爱迪生效应。爱迪生并为之申请了专利。

弗莱明在深入研究爱迪生效应之后,电池正极加在金属板上,有电流通过。电池正极加在碳棒上,则无电流通过,电流方向是单一的。原来是碳丝在高温环境下,化学特性活跃,只能往外发射热电子。所以,弗莱明根据爱迪生效应发明了历史上第一个电子管。这个电子管既是二极管的先驱模型,又是三极管的先驱模型。

前面我们说了,交流电的电压是周期性变化的。用物理模型解释,大概意思是:用火线和零线传输电,一会儿火线的电压比零线高,一会儿零线的电压比火线高。若认定火线电压和零线电压相等时,电平为0V,则任意线上,电压时而为正时而为负,呈现为正弦波形。如下图,

假如A线为火线,B线为零线(反过来也可以)。那么A点与B点的电压波形如下:

 

 

在实际工程应用中,是要考虑导线上电流的传输时间的(虽然时间短的可忽略,但一定记得,任何时候都是A点电压(红色)带动B点电压(绿色)发生变化),电压表现在导线上的效果,就是A点的电压一会儿比B点高。一会儿比B点低。如果开关S1换成弗莱明发明的电子管,由于电子管只允许A点电压比B点电压高时,才导通,A点电压比B点电压低时,就断开了。我们会发现什么现象呢?

理所当然地,我们会得出结论。A点电压始终比B点电压要高。

 

在数学模型上就是,电压A点(红色)为正弦信号时,经过弗莱明的电子管后,输出B点(绿色)的电压波形如下:

我们发现,经过电子管后,电压要么为0,要么为正,电压的方向始终变成正电平了。电压不再是一会儿正一会儿负,而是始终为正,只是一会儿大,一会儿小。电压由交流电变成了不稳定的直流电。由于电容有稳定低压的作用,如果后端接一颗电容,我们发现交流电可以变成稳定的直流电。

电子管的出现,成功地解决了历史难题,实现了交流电向直流电的转化。而电子管的这种应用电路,在电力学上被称为“整流电路”,在通信学上被称为“检波电路”,广泛应用在如今的电源转换器、无线接收电路、无线充电电路中。

半导体、PN结与二极管

电子管的应用原理是加热的碳棒往外发射热电子,从原理上看,我们就知道电子管不是省油的灯。所以,前辈们再次大发神威,研制出了现代半导体器件。

在聊PN结时,我们先聊聊化学。

元素周期表你应该还记得氢氦锂铍硼碳氮…”,在研究半导体之前,我们需要在这么多元素组成的物质中挑选一种稳定的物质,作为研究对象。我们可以试着挑一下。

我们知道元素周期表中要达到物质平衡,不同的元素是通过共享自由电子(共价键)组合在一起的。比如第二行元素中,稳定态是8个电子,两种元素的外围电子之和为8时,才能达到稳定。所以,元素组合大概有1+7(锂和氟)、2+6(铍和氧)、3+5(硼和氮)、4+4(碳和碳)。你是不是发现了什么?对!碳组元素由于外围电子数量的特殊性,竟然只依赖自己就能达到稳定态。所以碳组元素存在单晶态,研究起来好研究,只需要研究一种元素即可。横坐标锁定在碳组元素。

除了考虑元素组合,我们还需要考虑该元素的其他特性,比如耐高温,氧化等特性。电灯和电子管是依赖于单晶碳来设计的,爱迪生头疼了一生。根据化学特性和稳定特性的稳定度,我们发现硅和锗导电性较弱,所以纵坐标锁定在碳组元素的硅元素和锗元素上。

以硅为例,单晶硅虽然很稳定,但是不导电。我们再想想导电的原理,导电依赖于内部自由电子的移动,导电程度依赖于内部自由电子的多少,而碳组元素外围4个自由电子全部是共价键,自由电子很少(高温下会增多)。要像让单晶硅组成的材料导电,该怎么办呢?

掺入少量氮组元素到单晶硅中。由于氮组元素外部有5个电子,与碳元素组合掉4个共价键后,还会多出来1个电子。多出来的这个自由电子,就可以经常移动,让原本不导电的硅单晶材料开始导电。原本不导电的材料经过处理后导电了,既不能叫绝缘体,也不能叫导体,那我们叫半导体好了。由于电子带负电,英文单词为Negative,此类半导体我们称为N型半导体。

掺入少量硼组元素到单晶硅中,由于硼组元素外部有3个电子,与碳元素组合掉3个共价键后,还需要1个电子,这个位置被称为空穴,这个空穴可能吸引束缚电子来填充,使得硼原子成为带负电的离子,原本不导电的硅单晶材料也开始导电了。由于缺失电子后带正电,英文单词为Positive此类半导体我们称为P型半导体。

在一块单晶硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体P型半导体和N型半导体结合后,由于N型区内自由电子多,空穴少,而P型区内自由电子少,空穴多,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。有一些电子从N型区向P型区扩散,对应的就是有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P原本缺电子的硼组元素获得了电子带负电。而N区原本多电子的氮组元素失去了1个电子带了正电。带正电的氮组元素与带负电的硼组元素相距较劲时,就产生了从NP的电场。

该电场区域称为自建电场,也称为耗尽区(因为该区域的自由电子都会受电场力作用被迅速发射到P区)。我们也可以把它称为PN结。自建电场总是由N指向P。在PN结两端加金属引脚,封装成器件之后,这个器件就称为二极管。P极称为正极(阳极),N极称为负极(阴极)。

二极管的种类很多,有肖特基二极管,开关二极管,TVS,发光二极管,光电二极管等,基本原理都一致,但是每种器件侧重的性能不一样。

二极管的常用工程参数

由于PN结的自建电压总是由N指向P,所以二极管导通时外部加的电压,要克服自建电压,该电压称为二极管的正向导通电压(Forward Voltage),0.2V或者0.7V不等。

二极管加正向导通电压后,有电流流过时,由于自由电子的运动撞击,同样会发热,当电流足够大,热量来不及耗散时,会导致二极管烧毁。所以二极管有最大正向电流(eg2A)和热阻(eg12/W)。

如果二极管在N极加正电,P极加负电。会让更多的自由电子流入P区,导致N区带正电的离子增多,P区带负电的离子增多,内电场增强,导致耗尽区变宽。N区的电子不能经过内电场流向P区,电路近似断开。但是由于P区的电子若一不小心靠近耗尽区边缘时,P区的电子是可以被电场扫入N区的(电子的流动方向与电场方向相反)。

所以二极管器件在加反向电压后,电路并非纯粹的断开状态,而是存在反向漏电流(IF)。而且,温度每升高10度,反向漏电流增加大约1倍。

当反向电压不断增加时,耗尽区内电场力继续增强,增强到一定程度时,虽然没有自由电子,但是耗尽区内稳定的共价键中的电子会被强电场力拉出,开始运动,再次产生电流。这个现象称为齐纳击穿。当反向电压继续增强,共价键中拉出的电子被急剧加速,当电子撞击到其他原子核时,由于速度过高,势能过大,会把原子核周围其他电子撞击出来,也被加速(此处引用夸张+比喻的修辞手法)。1个自由电子撞击出来2个自由电子,2个自由电子撞击出来4个,反向电流急剧增大,同时物质结构也被损坏,这种现象被称为雪崩击穿。所以我们可以看出来,雪崩击穿电压要高于齐纳击穿电压。雪崩击穿电流>齐纳击穿电流>反向漏电。无论哪种击穿,只要有限流措施,防止热量积累,不损坏物理结构的情况下,均可恢复。没有特殊应用的二极管都只标注最大反向电压。

另外任何器件均存在寄生参数,二极管器件中工程应用中关注最多的参数是寄生电容。寄生电容的影响只在交流电情况下考虑,常称为频率特性。具体影响,参考电路分析方法(六)

以上就是二极管在工程应用中经常需要关注的电气参数。只要是二极管,上述参数都是基本参数,而对于特殊二极管,就要根据它的特殊性来考察额外的电气参数。例如TVS更偏重于反向电压和反向电流。发光二极管则还需要考虑发光效率。

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 路人223.104.5.217
  2019-7-31
写的很好,加油!
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 硬知识
  2020-8-27
谢谢!
用户头像3
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