分立器件通用技术介绍讲解

分离器件通用技术介绍图解半导体制程概论（3）第四章分立器件二极管的种类及其用法二极管是一种具有1个PN接合的2个端子的器件。

具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。

二极管的基本特性利用PN接合的少数载子的注入和扩散现象，只能一个方向（正向）上流通电流。

如果在PN接合二极管的N型半导体加上负压、在P型半导体加上正电压，就可使电流流通。

我们将该电流的流动方向叫做正向。

如果外加正、负压与上述反方向的电压，则几乎不会流通电流。

我们将该方向叫做反向。

如果提高PN接合二极管的反向电压，则电流在某个电压值会急剧增加。

我们将该电流叫做击穿电流。

此时的电压值对电流而言基本上为定值。

二极管的特性曲线和图形记号、结构下图表示二极管的特性曲线和图形记号、结构图。

二极管的特性曲线二极管的图形记号、结构二极管的种类和应用1）一般整流二极管二极管在一般的应用上，有利用电流只在一个方向上流通的功能的交流电压主的整流电路。

2)齐纳二极管（Zener Diode）利用PN接合二极管的反向击穿电压的即为齐纳二极管（恒定电压二极管）。

由于该电压对于电流来说基本上为定值，因此用于恒定电压调节器的基准电压源或浪涌电压（异常电压）吸收等用途。

3）其它二极管．进一步提高一般二极管的开关特性的高速恢复二极管（FRD）；．接合金属和半导体来替代PN接合的肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode）；．变容二极管、混合二极管、夹在真性半导体的I层中的PIN二极管等高频用二极管。

二极管的封装1）单体在一个封装中装一个器件的类型，使用最多。

2）中心抽头用于一个封装内组装两个器件，且使用带有中心抽头的双绕线变压器的全波整流电路等。

3）串联指两个二极管在内部串联，用于半波倍电压整流电路等。

4）桥式连接如图所示，指装有四个二极管，用于将交流作全波整流时。

整流二极管的各种连接二极管的各种封装大电流整二极管的外观高速开关二极管可以改善二极管的反向恢复特性，实现高速开关的二极管。

用于在较高开关频率下动作的反相器、开关整流器的还流二极管、整流二极管。

同时正向损失也可降低。

特征PN接合二极管由于利用了少数载子，因此导电调制效果虽然可以降低正向电压，但少数载子所带有的反向恢复特性会阻碍高速切换。

FRD和HED虽然都是PN接合二极管的一咱，但是将白金等重金属加入Si单结晶中，增加电子和空穴的再结合中心，能迅速消灭关断后的少数载子。

同时，肖特基势垒二极管主要是由多数载子在运动，因此不会出现反向恢复特性。

因此，运行也更快速。

反向恢复特性PN接合二极管在正向电流的状态下突然施加反向电压的话，应付以在瞬间有较大的反向电流流通。

这是因为从PN接合注入的少数载子反向移动，而该电流将流通直到少数载子流出或消灭为止。

高速开关二极管用于缩短反向电流变为零为止的时间（反向恢复时间：trr）、改善反向电流波形的平滑性。

外加反向恢复电压时的少数载子的动作反向恢复电流波形种类1）高速恢复二极管（FRD：Fast Recovery Diode）高速恢复二极管在结构上和一般整流二极管基本相同，但它是一种有白金、金等掺杂物质扩散在Si 结晶中，增加了电子和空穴的再结合中心，关闭后少数载子会立刻被消灭的二极管。

因此可以提高二极管的反向恢复特性（反向恢复时间：trr），实现高速动作。

2）高效二极管（HED：High Efficiency Diode）高效二极管比上述FRD速度更快，损失更低（正向电压较低），因此它使用外延晶圆，在利用导电调制效果（参考PIN二极管）来降低正向电阻的同时，通过追加重金属扩散，能在不损坏正向特性的情况下，提高反向恢复特性。

HED用于比FRD更为高速的开关电路。

3）肖特基势垒二极管（SBD：Schottky Barrier Diode）真空能量等级和传导带等级的能量的差（称为电子亲和力）是利用金属和半导体的不同，根据和PN 接合不同的原理，通过改变外加电压的方向来控制电流开合的。

它和利用少数载子扩散电流的PN接合不同，主要是利用多数载子的漂移电流，因此可以实现高速开关。

肖特基势垒二极管和PN接合二极管相比反向电流较大，因此在高压下使用时容易发生热故障，使用时要非常小心。

肖特基势叠二极管的通电状态和记号肖特基势叠二极管的阻止状态封装稳压二极管（齐纳二极管）这是利用了PN接合的反向特性的二极管。

用于基准电压源和浪涌电压的吸收。

结构、动作如果将PN接合二极管的反向电压逐渐提升的话，PN接合部的电场会升高，某个电压点会产生较大的电流。

齐纳二极管（也叫稳压二极管）正是积极利用了这种电压电流特性。

这种电流开始急剧流动的现象就是由齐纳击穿，或者雪崩击穿引起的。

齐纳击穿是由隧道效应引起的，由于强大的电场将束缚电子拉离了接合，成为自由电子，并形成了电流，因此该电压会保持负的温度系数。

而所谓雪崩击穿，是空乏层的电场中被加速的电子、或者空穴的高能量赋予了束缚电子以能量，而成为自由电子的现象，这种新的电子也被加速，并让其他束缚电子成为自由电子的现象重复的结果，就是形成了较大的电流，该电压会保持正的温度系数。

大约6V以下主要是齐纳击穿，而6V以上则主要是由雪崩击穿引起的。

因此，大约在5V时温度系数为零。

齐纳（稳压）二极管的图形记号、结构齐纳（稳压）二极管的特性用途齐纳二极管用于串联稳压器的在准电压源或汽车的电源线、电话线的浪涌电压（异常高压脉冲电压）的吸收，或者连接在计算机等的连接器上，来保护连接连接器时产生的ESD（静电压破坏）等。

高频二极管高频波用的二极管也分成如下各种类型1）变容二极管；2）PIN二极管；3）穿透二极管；4）雪崩二极管；5）甘恩二极管；6）阶跃恢复二极管。

（1）变容二极管给二极管外加反向电压时产生的空乏区域，其电荷以空间性分离，因此其发挥如同电容器的作用。

当外加在二极管上的电压（反向）增加的话，则空乏层的宽度随之扩大，正如电容器的2片电极之间的间隔变宽那样，因此二极管的容量不断变小。

利用这种特性，用于调谐器等同步电路、调谐电路等。

变容二极管的图形记号、结构图（2 ）PIN二极管PN接合之间夹着本征半导体（I型），外加正向电压的话，P型半导体和N型半导体会向本征半导体注入很多空穴、以及相同密度度的电子，从而降低比电阻。

这种现象叫“导电调制效果”。

PIN二极管正向流通直流电流的话，在导电调制效果下会显示出较低的电阻值，但外加反向直流电压的话，I层的空乏层会扩大，结果会显示出非常小的电容值。

利用这种特性，可作为高频带的开关与共振电路的频段开关和减衰器。

PIN二极管的正向PIN二极管的反向（3）穿透（江崎）二极管在添加高浓度杂质的P型、N型区域外加低电压时所形成的狭小空乏层，载子以穿透现象流通。

该现象在正向电流流通前的低电压时产生，因此一部分显示负的斜率特性，而该二极管即使用这种特性。

穿透二极管的特性曲线（4）雪崩二极管将反向电压加在PN接合面，如果超出雪崩电压，则会发生载子的累增雪崩现象。

如果将共振器的频率调谐在载子的累增雪崩所穿透的I区域的长度所规定的到达时间上，那么3-300GHZ之间可以产生大输出的振荡器或放大器。

雪崩二极管的模式图（5）甘恩（Gunn）二极管以N型砷化镓（GaAs）的结晶构成。

虽然由于电压可使电子的速度增加，但在某个临界值，电子的运动能量会被结晶格子所吸收，而使速度降低。

而且外加大于临界值的电压时，在负电极附近会发生高电场区域，并在结晶中移动。

由于这种高电场区域的产生、移动、消灭都是以周期性进行，因此用于5-50GHZ的微波振荡器等。

甘恩（Gunn）二极管的模式图（6）阶跃恢复二极管将PN接合上的电压从正向切换到反向的话，电荷会聚积起来并被释放出去，但这个过程含有很多的高次谐波，因此很容易得到高输出微波。

阶跃恢复二极管的模式图晶体管的种类和使用方法具有信号放大功能的3个端子的半导体器件。

作为电流载体，有利用电子及空穴两个载子的双极晶体管，以及只利用电子或空穴任何一种的场效应管（FET）。

晶体管的分类双极晶体管中根据半导体的组合方式分为NPN型和PNP型。

另一方面，场效应管因结构而分为接合型场效应管（结构FET）和MOS型场效应管（MOSFET）。

还可再分为N通道、P通道，N通道中电流的主体为电子，P通道中为空穴。

双极晶体管用于模拟IC、高频器人年、或者音频输出、串联调节器等模拟用途。

另一方面，MOSFET的ON-OFF切换动作迅速，由于结构简单，且可由开关耗电量小的CMOS 栅组合而成，而且通过微细加工技术可以提高性能，从而成为数字LSI器件上的必须构件。

功率MOSFET 是一种适用于改变ON-OFF循环时间而控制功率的开关领域的器件。

晶体管的分类各种晶体管封装双极晶体管具有2个PN接合，利用电子以及空穴两个载子作用放大或开在动作的晶体管。

结构、运作NPN晶体管中，为了消除基极、发射极接合面的电位势垒而外加正向电压的话，电子将从发射极的范围注入基极范国。

削薄基极层的厚度后，几乎所有的电子都会作为扩散电流到达基极、集电极接合面，而成为集电极电流。

同时空穴也从基极注入发射极，成为基极电流，但将发射极的杂质浓度提高到基极杂质100倍的话就可以降低电流的比例，依靠微小的基极电流可以控制较大的集电极电流。

NPN晶体管中电子虽为电流的主体，但PNP晶体管中空穴为主体，因此电流的流动方向相反。

应用及用途高频特性良好，特性由物理量决定，因此偏差少，适合于无线设备的高频电路等模拟电路。

而且电流驱动能力较大，因此作为电源、音频输出、电视机的水平偏向用等功率器件被广泛使用。

双极晶体管的结构晶体管的图形符号NPN晶体管的动作原理场效应管（FET）场效应管和双极晶体管不同，仅以电子或空穴中的一种载子动作的晶体管。

按照结构、原理可以分为：．接合型场效应管．MOS型场效应管★接合型场效应管（结型FET）原理N通道接合型场效应管如图所示，以P型半导体的栅极从两侧夹住N型半导体的结构。

将PN接合面上外加反向电压时所产生的空乏区域用于电流控制。

N型结晶区域的两端加上直流电压时，电子从源极流向漏极。

电子所通过的通道宽度由从两侧面扩散的P型区域以及加在该区域上的负电压所决定。

加强负的栅极电压时，PN接合部分的空乏区域扩展到通道中，而缩小通道宽度。

因此，以栅极电极的电压可以控制源极-漏极之间的电流。

用途即使栅极电压为零，也有电流流通，因此用于恒定电流源或因低噪音而用于音频放大器等。

结型FET的图形记号结型FET的动作原理（N通道）★MOS型场效应管原理即使是夹住氧化膜（O）的金属（M）与半导体（S）的结构（MOS结构），如果在（M）与半导体（S）之间外加电压的话，也可以产生空乏层。

再加上较高的电压时，氧华膜下能积蓄电子或空穴，形成反转层。