第 5 章：固态二极管和二极管特性

在电子学中，二极管是一种两端元件，具有不对称的电流与电压特性，对一个方向的电流具有低（理想情况下为零）电阻，而在另一个方向上具有高（理想情况下为无穷大）电阻。最常见的硅半导体二极管是单晶半导体材料，其 PN 结连接到两个电端子。

5.1 PN结

PN 结是通过将 p 型和 n 型半导体在单晶格中连接在一起而形成的。术语结是指半导体的两个区域相遇的边界界面。如果结由两个单独的部分构成，这将在晶格中引入不连续性，因此通过引入称为掺杂剂的某些杂质，例如通过离子注入、扩散或外延（生长例如，在掺杂有 p 型杂质的晶体层之上的一层掺杂有 n 型杂质的晶体）。

PN 结是几乎所有半导体电子器件（如二极管、晶体管、太阳能电池、LED 和集成电路）的基本构件；它们是设备发生电子动作的活动场所。例如，一种常见类型的晶体管，即双极结型晶体管，由两个串联的 PN 结组成，形式为 NPN 或 PNP。

5.1.1 PN 结的特性

PN 结表现出一些有趣的特性，这些特性在固态电子学中具有有用的应用。p型掺杂的半导体是相对导电的。n 掺杂半导体也是如此，但 p 和 n 型区域之间的结是非导体。这种非导电层称为耗尽层，是因为带电载流子、n 型硅中的电子和 p 型硅中的空穴扩散到其他类型的材料中（即p 型中的电子和 n 型中的空穴）并在称为复合的过程中相互消除。这种电荷扩散会导致耗尽区的内建电位差。通过操纵这个非导电层，PN 结通常用作二极管：允许电流沿一个方向流动但不允许沿另一个（相反）方向流动的电路元件。这种特性可以用正向偏置和反向偏置来解释，其中术语偏置是指在 PN 结上施加电压。当施加的外部电压超过结的内置电位时，PN 结将传导电流。

5.1.2 均衡（零偏差）

在 PN 结中，在没有外部施加电压的情况下，达到平衡条件，其中在结的两端形成电位差。该电位差称为内置电位V BI。

在 p 型和 n 型半导体的结点处，靠近 PN 界面的 n 型区域中较高浓度的电子倾向于扩散到 p 型区域中。当电子扩散时，它们会在 n 区留下带正电的离子（供体）。类似地，靠近 PN 界面的 p 型侧上更高浓度的空穴开始扩散到 n 型区域，留下带负电荷的固定离子（受体）。PN 界面两侧紧邻的区域失去中性并带电，形成空间电荷区或耗尽层（见图 5.1）。

图 5.1 平衡状态下的 PN 结

空间电荷区产生的电场与电子和空穴的扩散过程相反。同时存在两种现象：倾向于产生更多空间电荷的扩散过程，以及倾向于抵消扩散的空间电荷产生的电场。在平衡时，这两种力相互平衡。平衡状态下的载流子浓度分布如图 5.1 中的蓝线和红线所示。还显示了建立平衡的两种平衡现象。

空间电荷区是一个带有由固定离子（供体或受体）提供的净电荷的区域，这些离子通过多数载流子扩散而未被覆盖。当达到平衡时，电荷密度近似于图 5.2 Q(x) 图中显示的阶跃函数。事实上，该区域完全耗尽了多数载流子（留下等于净掺杂水平的电荷密度），空间电荷区域和中性区域之间的边缘非常尖锐。空间电荷区在 PN 界面的两侧具有相同的电荷，因此它延伸到较轻掺杂的一侧（图 5.1 和 5.2 中的 n 侧）。

图 5.2

5.1.3 正向偏置

在正向偏压中，相对于结的 n 型侧，正电压被施加到 p 型侧。以这种方式施加电压时，p 型区中的空穴和 n 型区中的电子被迫朝向结。这减小了耗尽层的宽度。施加到 p 型材料的正电荷排斥空穴，而施加到 n 型材料的负电荷排斥电子。电子和空穴之间的距离随着它们被推向结而减小。这降低了内置的势垒。随着正向偏置电压的增加，耗尽层最终变得足够薄，以至于内置电场不能再抵消穿过 PN 结的电荷载流子运动，从而降低电阻。穿过 PN 结进入 p 型材料的电子（或穿过 n 型材料的空穴）将在近中性区扩散。因此，近中性区的少数扩散量决定了可能流过二极管的电流量。

只有多数载流子（n 型材料中的电子或 p 型中的空穴）可以在宏观长度上流过半导体。考虑到这一点，请考虑电子穿过结的流动。正向偏压在电子上产生一个力，将它们从 N 侧推向 P 侧。使用正向偏压，耗尽区足够窄，电子可以穿过结并注入 p 型材料。然而，它们不会无限期地继续流过 p 型材料，因为在能量上有利于它们与空穴复合。电子在复合之前穿过 p 型材料的平均长度称为扩散长度，通常为微米数量级。

尽管电子在复合之前仅穿透很短的距离进入 p 型材料，但电流不会中断，因为空穴（多数载流子）开始以相反的方向流动，取代了少数载流子电子与之复合的空穴。总电流（电子和空穴电流的总和）在空间中是恒定的，因为任何变化都会导致电荷随时间累积（这是基尔霍夫电流定律）。空穴从 p 型区到 n 型区的流动与电子从 N 到 P 的流动完全相似（电子和空穴互换角色，所有电流和电压的符号都颠倒了）。

因此，流经二极管的电流宏观图涉及电子流经n型区流向结，空穴以相反方向流经p型区流向结，两种载流子在结的附近（由扩散长度给出）。电子和空穴以相反的方向行进，但它们也具有相反的电荷，因此根据需要，二极管两侧的总电流方向相同。

5.1.4 反向偏置

反向偏置通常是指二极管在电路中的使用方式。如果二极管反向偏置，则阴极电压高于阳极电压。因此，直到电场高到二极管击穿时才会有电流流动。

因为 p 型材料现在连接到施加电压的负侧，p 型材料中的空穴被拉离结，导致耗尽层的厚度增加。同样，因为 n 型区连接到正极，电子也会被拉离结。因此，耗尽层加宽，并且随着反向偏置电压的增加而增加。这增加了电压势垒，导致对电荷载流子流动的高阻力，从而仅允许非常小的电流通过 PN 结泄漏。

耗尽层电场的强度随着反向偏置电压的增加而增加。一旦电场强度增加超过临界水平，PN 结耗尽层击穿并且电流开始流动，通常是通过齐纳击穿或雪崩击穿过程。这两种击穿过程都是非破坏性的并且是可逆的，只要流过的电流量没有达到导致半导体材料过热和热损坏的水平。

这种效应在齐纳二极管稳压器电路中发挥了很大的作用。齐纳二极管的设计具有明确定义的低反向击穿电压。击穿电压的典型值为例如 6.2V。这意味着阴极电压永远不会比阳极电压高 6.2V 以上，因为如果电压升高，二极管会击穿，从而导通。这有效地限制了二极管两端的电压。

使用反向偏置二极管的另一个应用是变容（可变电容）二极管。耗尽层充当二极管的两个导电板或端子之间的绝缘体。电容是绝缘层宽度及其面积的函数。任何二极管的耗尽区宽度都会随着施加的电压而变化。这会改变二极管的电容。变容二极管特意设计为 PN 结的一侧轻掺杂，因此二极管的那一侧会有一个大的耗尽区。这个较厚的区域也将更多地受到施加的偏置电压的影响，因此二极管的电容变化 (ΔC/ΔV) 将是施加的偏置的强函数。

部分总结

PN 结的正向偏置和反向偏置特性意味着它可以用作二极管。PN 结二极管允许电荷沿一个方向流动，但不允许相反方向流动；负电荷（电子）可以很容易地从 N 流过结到 P，但不能从 P 流到 N，而空穴则相反。当 PN 结正向偏置时，由于 PN 结的电阻减小，电荷可以自由流动。然而，当 PN 结反向偏置时，结势垒（因此电阻）变得更大，电荷流非常小。

5.2 实际二极管

下图 5.3 给出了二极管的示意图符号 (a) 和实验室中典型二极管的图片 (b)。二极管是非常常见和有用的设备。人们可以将二极管视为一种仅允许电流沿一个方向流动的装置。这是一个过度简化，但一个很好的近似。

（一种）

(二)

图 5.3：(a) 二极管示意图符号 (b) 小信号二极管。

如前所述，半导体二极管被制造为形成 PN 结的两层结构。半导体，例如硅或锗，可以掺杂小浓度的特定杂质，以产生通过电子传输（n 型）或通孔（p 型）导电的材料。当这两种类型的掺杂半导体层构成PN结时，电子从n型侧迁移，空穴从p型侧迁移，如图所示。5.1. 如图所示，电荷的这种重新分布在结上产生了电位间隙V BI。这个差距是VBI ~ 0 。 7 V硅和 ~ 0 . 锗为 3 V。

图 5.4 PN 结，在结上形成电压间隙

当这个 PN 结二极管现在连接到外部电压时，这可以有效地增加或减少内置的电位间隙。这会产生非常不同的行为，具体取决于该外部电压的极性，如图中典型的V - I曲线所示。5.5. 当二极管反向偏置时，如图 5.6 所示，间隙会增加，并且流过结的电流非常小（直到在本示例中最终出现约 6.2V 的场击穿）。相反，正向偏置配置减小了间隙，对于等于间隙电压的外部电压接近零，并且电流可以轻松流动。

（正向偏置）二极管电压V D的表达式如下：

(5.1)

其中：
V D = 二极管两端的施加电压
k = 玻尔兹曼常数 (1.38E-23 焦耳/开尔文)
T = 开尔文绝对温度
q = 电子电荷 (1.6E-19 库仑)
I D = 通过二极管的实际电流二极管
I S = 扩散电流（器件相关常数）
（所谓的热电压V T在室温下为kT/q = 26 mV。）

上面的等式可以重新排列以提供 I D：

(5.2)

因此，当反向偏置时，二极管的行为很像一个打开的开关；当正向偏置时，对于大约 10 mA或更大的电流，二极管提供接近恒定的约 0.7 V压降。扩散电流 I S取决于 n 型和 p 型杂质的掺杂水平、二极管的面积和（在很大程度上）温度。小几何集成电路二极管的合理起点是 I S =1E -16。

图 5.5：二极管的电压、V D与电流、ID行为

半导体结中的相反电荷与电容器极板上的电荷没有区别。所以每个结都有一个电容；但是由于电子和空穴之间的距离，耗尽层，随着施加的电压而变化，电容取决于施加的电压。电压越低，电容越高，它就会增加到正向偏置区域。

图 5.6 6.2 伏齐纳二极管的电压与电流特性

关于实际二极管需要注意的另一件事是半导体材料中的串联电阻未被耗尽区占据。对于 5E 15（每立方厘米掺杂原子，IC 中的实际击穿电压约为 25 伏）的常见浓度，磷（n 型）掺杂硅的体电阻率约为 1 Ohm-cm，而 3 Ohm- cm 为硼（p 型）。相比之下，铝等金属的电阻率为 2.8 微欧-厘米，铜的电阻率为 1.7 微欧-厘米。体积电阻率（ρ 或 rho）是在边长（w、h、l）为 1 厘米（10 毫米）的立方体材料的相对表面之间测量的。

5.3 二极管的温度特性

从二极管电压方程 5.1 中，我们可以看到它包含绝对温度项 T。此外，扩散电流 I S实际上不是常数，而是高度依赖于温度。在图 5.7 的下一组图中，针对四种不同的二极管电流（绿色 = 1 mA、蓝色 = 2 mA、红色 = 5mA 和青色 = 10mA）绘制了模拟二极管电压与温度的关系图。从曲线中可以明显看出，二极管电压具有很强的负温度依赖性。

在上图中，绘制了 2mA 和 1mA 曲线之间的差异以及 5mA 和 10mA 曲线之间的差异。这两个结果完全重叠。如果我们更仔细地检查二极管电压方程，其原因就很明显了。

图 5.7 二极管电压与温度在 1mA、2mA、5mA 和 10mA 时的关系

(5.3)

重新排列并假设 I S1 = I S2我们得到：

(5.4)

现在 I S的强烈温度效应从方程中消失了，我们只剩下绝对温度项 T，这使得 ΔV D与绝对温度 (PTAT) 成正比。两个V D2 - V D1和V D4 - V D3具有相同的2：1的比例为它们的电流，因此ΔV d曲线将精确地位于彼此的顶部上。在室温下，热电压V T约为 26 mV，当乘以 ln(2) 时，图中 25 度时约为 18 mV。