二极管深度学习总结

晶体二极管作为最基本的半导体元件，以其单向导电特性而闻名，甚至作为网络语言来嘲笑观点极端的人。但二极管内部的原子、电子、空穴、PN结等变化过程，一般一知半解，很少有人能理解清楚，作者就是其中之一。

带着5W本文旨在学习二极管工作过程中的内部原子级变化过程&总结。

基础知识：

Si最外层4个电子与4个电子结合成4对共价键，形成稳定结合态；

Si掺杂B(硼)，最外层3电子，会有空位，相邻原子电子填充，产生空位的相对移动，定义为载流子空穴；

Si掺杂P(磷)，最外层5电子，多余的电子成为自由电子，定义为载流子电子e；

P型 掺杂B(硼)原子，多数载流子为空穴；

N型 掺杂P(磷)原子，大多数载流子是电子的e；

大多数载流子随浓度梯度扩散，形成扩散电流（主要受浓度梯度影响）；

随电场移动的少数载流子会形成漂移电流(少数载流子浓度主要受温度影响，正相关)；

载流子空穴和电子总是在半导体晶体中自发产生 & 相互湮灭，温度升高可以刺激其产生的速度。例:本征半导体空穴:电子=1:1，半导体中会有少数载流子空穴/电子；

描述二极管的工作过程分为三种状态：静态、正偏、反偏；

1. 静态(温度一定)

① 浓度梯度扩散：N型电子e向P扩散填空穴， P型空穴向N型扩散吸收电子，形成B-离子 & P 扩散电流产生离子；

② 形成内建电场：P 离子、B-离子形成从N型指向P型的内建电场，产生浓度梯度扩散阻力。内建电场即空间电荷区/PN结；

③ 产生漂移电流：少数载流子 P型的电子、N类型空穴，内建电场 在电场力的作用下进入对方区域，形成漂移电流；

④ 动态平衡：中和漂移电流B- & P 离子，削弱内部电场，增强内部电场的浓度梯度扩散，最终实现动态平衡。

注：新的平衡将在不同的温度条件下实现。.温度升高→少数载流子浓度增加→漂移电流增加→削弱内建电场 & 温度升高→大多数载流子扩散能力增强→扩散电流增加→加强内建电场。

2. 正偏(温度一定)

① 外加电场死区电压：平衡状态，外加电场小于内部电场，压降集中在PN结上，随着外加电场的增强，PN结变窄。

理解1(可靠):大多数载流子空穴加电场力作用N大多数载流子电子方向PN结 聚集在附近，越近PN压降越大，挤压越大PN结耗尽区，使PN结变窄；

理解2：在理解1的基础上，PN在两侧的一定厚度内B-离子、P 外电场将离子中的电子和空穴带入P型，N型区(可能成为少数载流子)PN结变窄；

理解3：外电场抵消部分内建电场，使PN结变窄(不靠谱，结果解释原因)；

个人理解：外部电场、内部电场（阻碍浓度梯度扩散）、浓度梯度扩散（增强内部电场）、漂移电流（削弱内部电场效果最小），可视为四种叠加力，在不同阶段占据主导地位，决定不同阶段的现象。以PN以结变窄阶段为例。此时，外部电场影响占主导地位，削弱内部电场，削弱漂移电流，削弱浓度梯度扩散，大多数载流子向PN接近时，电场影响大于浓度梯度扩散PN结变窄；

② 外加电场=死区电压：处于临界平衡状态，受外电场影响，导致大部分载流子向PN结靠近、PN结最窄，浓度梯度扩散趋势最大化，漂移电流抑制可以忽略，大多数载流子在外电场的作用下可以穿越PN结的临界状态；

③ 外加电场>死区电压：大多数载流子在外电场作用下越过PN结流动，电源正极注入空穴，负极注入电子，浓度梯度扩散趋势增大的部分释放，PN因此，二极管导通压降高于死区电压(死区电压)Si管约0.5V Ge管约0.1V、 导通压降Si管0.6-0.8V Ge 0.2-0.3V）。

3. 反偏(温度一定)

① 反向截止状态：

外电场作用(主导):大多数载流子远离PN结方向聚集，PN结附近B、P电子形成原子得失B-、P 离子，使PN结耗尽区宽度增加，内建电场增强；

因PN大多数载流子浓度降低，扩散趋势降低；

漂移电流增大，因为载流子少，电流小，可以忽略；

外电场叠加内电场阻碍大多数载流子流通，形成较宽的耗尽层，呈反向截止状态；

② 反向击穿状态：

雪崩击穿:外电场 当内部电场足够大时，少数载流子获得足够的能量，高速冲击晶格刺激高能电子&空穴对，高能电子&再次撞击其他原子刺激高能电子&空穴对，类似于核裂变过程，形成雪崩效应，反向击穿；

齐纳击穿:高浓度掺杂的二极管直接刺激晶格形成电子&空穴对，在电场作用下形成电流，比雪崩软一点；

热电击穿：电介质在电场作用下，由于漏电流、点损耗等放热，当热增加＞散热，热量积累到一定程度，使少数载流子浓度增加，形成反向电流，造成击穿；

③ 可逆反向击穿：

稳压二极管：与普通二极管混合浓度高，刺激齐纳击穿，使反向电流一个大范围内变化，但电压基本保持不变，起到稳压作用。当然稳压二极管也是有相应的工作电流范围的，超过限制范围也会造成不可逆的雪崩击穿；

横流二极管：即结型场效应晶体管，基本原理是一块N型半导体两端制作两个高掺杂的P型区，连在一起作为栅极G，N型两端引出两电极作为源极D、漏极S，通过控制两P型掺杂区的两个耗尽区的宽度来控制电流/开关，其横流特性主要是栅源一定电压Vgd时，Vds增大到一定电压后靠近漏极端耗尽区会增大呈现夹断趋势，这时达到饱和电流，不随Vds增加而增加，即横流特性，详细后续会再出文章介绍。

以上即为二极管相关知识的总结。作为最基础的晶体管元器件，相信通过本文的学习总结，对三极管、场效应晶体管、晶闸管等原理的理解也有益处。