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半导体开放世界

二极管

Diode也称 整流二极管

PN 二极管是把半导体结、欧姆接触和受控电流路径封装为两端非线性器件，其整流来自偏压对势垒与少数载流子注入的非对称调制。

入门主路径「从硅到芯片」第 6 站出处 3 本教材
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速览

约 1 分钟

正偏降低势垒，注入的少数载流子在准中性区扩散并形成近似指数电流；反偏抑制多数载流子跨结，只剩温度和缺陷敏感的漏电，直到高场击穿。真实二极管还包含串联电阻、结电容、存储电荷和热约束。

系统理解

约 2 分钟

二极管不是抽象的“只许单向通过”开关，而是 PN 结加上接触、串联体区、表面和封装后形成的两端器件。低注入稳态下，边界少数载流子随 exp(qV/kT) 增长，过剩载流子在准中性区扩散和复合；两侧扩散电流相加得到 I=Iₛ[exp(qV/kT)−1]，其中 Iₛ由面积、扩散系数、扩散长度和平衡少数载流子浓度决定。

真实伏安曲线按工作区改变主导机制。中等正偏可接近理想指数区；耗尽区产生复合常使理想因子偏离1，高正向电流又受串联电阻、高注入和自热限制。反向电流除理想扩散分量外，还包含耗尽区产生、表面漏电和缺陷辅助通道，因此不是与电压、温度无关的固定常数。

动态工作还要计入电荷。反偏和弱正偏下，耗尽边界移动形成势垒电容；正向导通时，准中性区存储的少数载流子形成扩散电容，并在关断时产生反向恢复。更高反向场可触发雪崩或带间隧穿；电击穿是导电机制，是否损坏取决于限流、结温、功率和局部电场。工程上必须用对应工作区模型，而不是用一条理想方程解释整条 I–V 曲线。

把 PN 结物理转化为可测两端 I–V、C–V、开关和耐压特性的器件节点。

关键参数

关键参数
参数单位含义
反向饱和电流 IₛA理想扩散模型的电流尺度，强烈依赖面积、温度、掺杂与寿命。
理想因子 n—表征工作区偏离理想扩散指数斜率的经验/机制参数。
串联电阻 RₛΩ接触和中性区电阻，高正向电流时限制端电压到结电压的转换。
反向击穿电压 VᴮᴿV指定测试电流和温度下进入显著击穿导电的端电压。
反向恢复时间 tᵣᵣs正向存储电荷被抽取后恢复阻断能力的动态指标。

常见误区

  • 把二极管当成正向零压降、反向无限电阻的理想单向阀
  • 认为 0.7 V 是硅二极管固定不变的开启电压
  • 认为反向电流永远等于与温度无关的 Iₛ
  • 把所有正向 I–V 区域都套用理想因子 n=1 的指数公式
  • 把电击穿直接等同于器件必然永久损坏

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

从结到两端器件

定义

二极管是结、接触和电流路径的完整两端器件

PN 结提供可调势垒，但可测二极管还包含欧姆接触、准中性体区、表面终端和封装；端电压会分配在结、串联电阻与接触上，因此器件不等同于孤立结模型。12

成立条件 讨论 PN 二极管；肖特基、PIN、发光和光电二极管需加入各自结构与输运机制

PN结 前置：PN 结是整流势垒的物理核心，但不是完整端口模型。

理想电流如何推出

公式

饱和电流来自两侧少数载流子扩散分量之和

长基区低注入模型中，p 区电子与 n 区空穴的扩散电流相加形成 Iₛ；面积、更大的扩散系数或更高的平衡少数载流子浓度会增大它，更长的扩散长度则改变浓度梯度并进入分母。12

Iₛ=qA(Dₙnₚ₀/Lₙ + Dₚpₙ₀/Lₚ)

A
有效结面积，单位 cm²
Dₙ、Dₚ
少数电子与空穴扩散系数，单位 cm²/s
Lₙ、Lₚ
对应少数载流子扩散长度，单位 cm

成立条件 稳态、低注入、长准中性区；忽略耗尽区产生复合、表面漏电和串联电阻

公式

理想 PN 二极管电流随正向电压指数增长

低注入理想模型把 PN 结电流归结为准中性区中过剩少数载流子的扩散，因此正向电压每增加一个热电压量级，电流按指数关系显著增加。12

I = Iₛ[exp(qV/kT) − 1]

Iₛ
理想反向饱和电流，单位 A
V
结两端电压（p 端相对 n 端），单位 V
kT/q
热电压，单位 V

成立条件 低注入、稳态、非简并；耗尽区内忽略产生与复合；忽略串联电阻、表面漏电和高场效应；尚未进入反向击穿

例题：动手算一次教学假设，可复算

在300 K、Iₛ=1.0 pA的理想低注入模型中，正向结电压为0.60 V时电流约为多少？

已知

  1. Iₛ=1.0 pA=1.0×10⁻¹² A
  2. V=0.60 V
  3. kT/q=0.0259 V
  4. 理想因子取1

步骤

  1. qV/kT=V/(kT/q)=0.60/0.0259=23.17，先计算无量纲指数
  2. I=10⁻¹²[exp(23.17)−1]=1.15×10⁻² A，在理想扩散模型中代入饱和电流
结果 理想模型给出约11.5 mA的正向电流。

结果展示了电流对结电压的指数敏感性，也说明很小的电压变化会显著改变理想电流。

不能外推到 真实器件在该电流下可能已受串联电阻、高注入、自热和非理想因子限制；这不是某个商品二极管的额定工作点。

反向漏电与非理想

边界

理想因子描述特定工作区的指数斜率

工程上常用 I≈Iₛ[exp(qV/nkT)−1]拟合局部正向区间；理想扩散区 n 接近1，耗尽区复合主导时常趋近2，但 n 是机制和工作区相关参数，不是覆盖整条曲线的材料常数。12

I≈Iₛ[exp(qV/nkT)−1]

n
二极管理想因子，反映局部主导输运机制

成立条件 只在所拟合的电压、温度和电流区间解释 n；高注入、串联电阻和隧穿会破坏简单单指数关系

机制

高正向电流由串联电阻和自热重新塑形

电流增大后，欧姆接触和准中性体区上的 I·Rₛ 压降使端电压不再全部落在结上，I–V 从理想指数关系逐渐转向电阻限制；同时自热改变 Iₛ、迁移率和结温，可能形成正反馈。12

成立条件 高正向电流；应区分外部端电压与内部结电压；热分析取决于脉冲宽度和散热路径

迁移率 影响：体区电阻受载流子浓度、迁移率和温度共同影响。
机制

耗尽区产生与表面通道抬高真实反向漏电

反向偏置不断抽取耗尽区内热产生的电子—空穴对；陷阱、表面态、边缘电场和缺陷辅助隧穿还可提供额外通道，使真实漏电随温度、周长、工艺和电压变化。12

成立条件 击穿前的反向工作区；不同温度和器件尺寸下应重新辨认主导分量

复合与产生 用于：SRH过程在偏离平衡时可表现为净产生并贡献漏电。
边界

反向饱和电流是理想近似而非固定常数

理想扩散模型预测击穿前的反向电流接近 −Iₛ，但真实器件还包含耗尽区产生、表面漏电和缺陷辅助输运；这些分量对温度、材料、面积和工艺非常敏感。12

成立条件 结尚未击穿；不能把某一温度下的 Iₛ 直接外推到其他温度；测得的反向漏电不必等于理想扩散饱和电流

电荷存储与动态

关联

反向恢复是先清除正向存储电荷再恢复阻断

二极管从正向导通突然换到反向电压时，准中性区中的过剩少数载流子必须先被抽取或复合，期间会出现反向恢复电流；存储电荷、寿命、驱动换向速度和结温共同决定恢复波形。12

成立条件 双极型 PN 二极管的开关瞬态；不能用单一 tᵣᵣ 在所有测试电流、di/dt 和温度下比较器件

肖特基二极管 对比：多数载流子肖特基器件通常没有同等级的少数载流子反向恢复。
机制

正向存储电荷形成扩散电容

正向导通时，注入到准中性区的过剩少数载流子形成随电压变化的存储电荷；小信号下这种电荷变化表现为扩散电容，并影响二极管从导通切换到截止的速度。12

成立条件 正向注入；准静态小信号定义；存储量和恢复时间受寿命、注入水平与器件结构影响

肖特基二极管 对比：多数载流子型肖特基二极管通常没有同等的少数载流子存储。

击穿与工程边界

机制

雪崩击穿来自碰撞电离的载流子倍增

反向高场使载流子获得足够动能并碰撞产生新的电子—空穴对；新生载流子继续被加速和碰撞，形成链式倍增，从而使反向电流急剧增加。23

成立条件 电场足以引发碰撞电离；通常与较宽耗尽区和相对较低掺杂相关；击穿电压受结形貌、掺杂与温度影响

机制

隧穿击穿依赖强场与很薄的耗尽区

重掺杂使耗尽区变薄，反向偏置下的强电场可使价带电子量子隧穿到对侧导带，形成显著反向电流；该机制常被称为齐纳隧穿。123

成立条件 重掺杂、薄耗尽区和强电场；实际二极管可能同时存在隧穿与雪崩分量；不能只凭器件名称判断唯一击穿机制

边界

电击穿不必然等于器件立即损坏

雪崩或隧穿击穿描述反向电流急增的导电机制；若外部电路限制电流且器件结温保持在额定范围内，可在设计允许的击穿区工作。电流失控引起的过热和热失稳才会造成永久损伤。23

成立条件 必须遵守器件额定功率、电流和结温；局部电场集中可能使实际安全边界低于一维模型预测；热击穿属于需要避免的失效过程

出处

3 本教材 · 11 处引用
  1. 1
  2. 2

    半导体物理学（第8版）

    刘恩科、朱秉升、罗晋生

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  3. 3

    Physics of Semiconductor Devices

    S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021

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