在半導(dǎo)體器件中，PN結(jié)是最基本的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。如果將PN半導(dǎo)體封裝起來(lái)，就形成了二極管器件。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)二極管就是一個(gè)具有單相導(dǎo)電性的PN結(jié)，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求誕生了不同類(lèi)型的二極管。本文主要介紹二極管的特性和分類(lèi)。

1、二極管正向VI特性

二極管的正向VI特性滿(mǎn)足以下的公式：Is 為反向飽和電流，由于熱激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子數(shù)量恒定(一定溫度條件下)，反向飽和電流Is也趨于恒定;VT 為熱力學(xué)電壓，是根據(jù)愛(ài)因斯坦公式推導(dǎo)出來(lái)的，室溫下VT≈26mV;n為發(fā)射效率，Si半導(dǎo)體(IC電路)中1

由上述公式可以畫(huà)出二極管的VI曲線(xiàn)。如圖1-1，當(dāng)二極管正向電壓超過(guò)門(mén)檻電壓，二極管電流呈指數(shù)劇烈上升。在門(mén)檻電壓以下，二極管也會(huì)存在一定的電流，圖1-1右，當(dāng)電流很小的時(shí)候也會(huì)有微小的電壓，這段的電流非常小，因此可以簡(jiǎn)單認(rèn)為二極管是“截止”的。

圖1-1 二極管的正向壓降二極管的正向壓降曲線(xiàn)隨溫度是會(huì)發(fā)生變化的。如圖1-2所示，在小電流條件下，載流子的移動(dòng)隨著溫度的升高加快，因此溫度越高壓降越低，二極管導(dǎo)通壓降呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)特性;在大電流條件下，載流子的碰撞占主導(dǎo)，載流子壽命降低，溫度越高壓降越大，二極管導(dǎo)通壓降呈現(xiàn)正溫度系數(shù)特性。

圖1-2 二極管的正向壓降隨溫度的變化

2、二極管反向耐壓

PN結(jié)如果不是特別的摻雜處理，將二極管不斷增加反向電壓，達(dá)到一定電壓條件后，二極管將發(fā)生雪崩擊穿。在應(yīng)用中，我們需要給反向耐壓留有一定的余量，一般不超過(guò)二極管反向耐壓的80%。在二極管未發(fā)生雪崩擊穿的中間電壓，為反向偏置電壓(Reverse bias region)，該電壓會(huì)產(chǎn)生一定的反向漏電流，在一些低功耗的電路設(shè)計(jì)中需要特別注意該漏電流的水平。

3、二極管的分類(lèi)

如圖所示，二極管可以分為兩個(gè)大類(lèi)：PN結(jié)型和金屬-半導(dǎo)體結(jié)型(肖特基)。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，又可以將二極管分為：整流二極管(RD)、快恢復(fù)二極管(FRD)、瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)、穩(wěn)壓/齊納二極管(Zener)、變?nèi)荻O管(VCD)、高頻二極管等。

圖3-1 二極管的分類(lèi)

3.1 整流二極管(Rectifier Diode)

整流二極管主要利用PN結(jié)的單相導(dǎo)電性，控制電流的通斷。如圖3-2，整流二極管主要工作在正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)(圖中紅色區(qū)域)。整流二極管在使用過(guò)程中，需要特別注意不能超過(guò)其規(guī)定的正向電流和反向電壓限值。

圖3-2 整流二極管工作區(qū)

利用二極管的單相導(dǎo)電性，在信號(hào)電路中，可以用來(lái)構(gòu)造邏輯電路。如圖3-3，通過(guò)兩個(gè)信號(hào)二極管D1、D2構(gòu)成一個(gè)“或門(mén)”，V1或者V2為高電平，Vo輸出高電平;通過(guò)兩個(gè)信號(hào)二極管D1、D2構(gòu)成一個(gè)“與門(mén)”，V1和V2為高電平，Vo輸出高電平。

圖3-3 二極管構(gòu)建邏輯電路

3.2 快回復(fù)二極管(FRD)

在開(kāi)關(guān)電源拓?fù)渲?，二極管往往需要承受高頻率的開(kāi)通和關(guān)斷的動(dòng)作。如圖3-4，是一個(gè)典型的BUCK電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，二極管D除了產(chǎn)生正向?qū)◣?lái)的損耗;在二極管關(guān)斷的瞬間由于結(jié)電容的存在，二極管存在一個(gè)反向的恢復(fù)電流。

圖3-5 BUCK電路中的二極管

恢復(fù)電流*反向電壓會(huì)得到一個(gè)很高的損耗脈沖，這個(gè)損耗的大小和二極管反向恢復(fù)電流Irr的大小和反向恢復(fù)時(shí)間trr成正比。如圖3-6，快恢復(fù)二極管(FRD)和普通二極管比較，其優(yōu)化了二極管的反向恢復(fù)特性，從波形中可以看出FRD反向恢復(fù)損耗有明顯的降低。

圖3-6 二極管的反向恢復(fù)比較

3.3 肖特基二極管(SBD)

肖特基二極管是在N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體中的電子逃逸到金屬中，在金屬和半導(dǎo)體結(jié)合面形成耗盡層(需要特殊的金屬和半導(dǎo)體摻雜相關(guān)，這里不展開(kāi))。如圖3-7，當(dāng)在二極管加上反壓，耗盡層增加，沒(méi)有電流流過(guò);當(dāng)在二極管兩端加上正向電壓，耗盡層被抵消，有電流通過(guò)。值得一提的是，肖特基由于沒(méi)有P型半導(dǎo)體的參與，因此該二極管只有一種載流子(電子)，屬于單載流子器件。

圖3-7 肖特基二極管的原理

肖特基勢(shì)壘能級(jí)較低，很難制造高壓的肖特基二極管，一般SBD的電壓在20~150V之間。隨著寬禁帶半導(dǎo)體(典型的SiC)的發(fā)展，高壓的SiC-SBD的使用已經(jīng)日益廣泛。如圖3-8，和PN結(jié)型二極管相比，肖特基二極管具有更小的正向?qū)▔航?，同時(shí)具有較大的反向漏電流。在應(yīng)用過(guò)程中都是需要注意的。

圖3-8 肖特基二極管和PN二極管的特性比較

3.4 穩(wěn)壓二極管(Zener)和TVS

穩(wěn)壓二極管是利用兩個(gè)高摻雜的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而成，摻雜濃度高，使得PN結(jié)的勢(shì)壘區(qū)特別的薄，有利于載流子的漂移。因此，在穩(wěn)壓二極管的兩端加上一定的反向電壓(需要外部限流)，二極管能夠迅速形成齊納擊穿，將電壓鉗位在一定的范圍。如圖3-9，反向擊穿電壓的曲線(xiàn)非常的陡峭。

圖3-9 齊納二極管特性曲線(xiàn)

典型的穩(wěn)壓二極管應(yīng)用電路如圖3-10所示，輸出電壓的特性曲線(xiàn)如右圖，當(dāng)輸出電流過(guò)大(io，max右側(cè))穩(wěn)壓二極管將退出齊納擊穿區(qū)，進(jìn)入反向偏置區(qū)，輸出電壓和電流按照歐姆定律變化。

圖3-10 穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用輸出

TVS被稱(chēng)為瞬態(tài)電壓抑制二極管，主要用于吸收瞬態(tài)的電壓浪涌。其需要的響應(yīng)速度要比穩(wěn)壓管的速度快得多，并且具有較大的抗沖擊能力，因此一般TVS管的封裝都做得比較大。如圖3-11，TVS在最要工作在擊穿的瞬間，而穩(wěn)壓管需要工作在一個(gè)穩(wěn)定的擊穿狀態(tài)下。

圖3-11 穩(wěn)壓二極管和TVS比較