二极管的特性及应用-《芯苑》

二极管说起来很简单,其实就是一个PN结,对他的特性也许很多人都能如数家珍,比如正向截止反向导通,正向加压(forwad bias)耗尽区变窄跨过PN结的内建电势(Vb)就导通了,反向加压(Reverse Bias)会使得耗尽区变宽,直至雪崩击穿(Avalanche Breakdown, Vbd)等等。

二极管的特性及应用-《芯苑》

然而,这些都是教科书里的理论,跟实际的designer应用又有什么关系呢?她们又是如何选择各种特性的二极管呢?

当然所有的应用都是围绕着她的特性来的,所以说应用之前先把二极管的特性回顾一遍吧。

1、正向导通反向截止:我们可以做开关管(Switch),以及整流管(Rectify)等等。

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再说说整流特性吧,其实半导体二极管没发明之前就有真空二极管,二极管具有阳极和阴极两个端子,电流只能往单一方向流动。也就是说,电流可以从阳极流向阴极,而不能从阴极流向阳极。对二极管所具备的这种单向特性的应用,通常称之为“整流”功能,而那个时候的二极管default就是“整流器”,直到四极管被发明出来之后,为了区分才命名为二极管“Diode” (来自希腊语:Di,"二" 和 ode,“路径”)。所谓整流的工作原理就是把一个交流的电压的正电压让他通过,负电压让他不能通过,从而实现交流变成直流的整流效果,只是负方向上的那一段变成没有电压(不是一个连续的直流),所以她是一个脉冲直流电压波。(当然如果需要连续直流电压可以通过两相交流电交叉过度实现。) 这就是所谓的半波整流(Half-Wave Rectifier)。

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而“正向导通反向截止”除了上述两个应用意外,在现代的RF电路里面还有一个经典的应用就是在电感的电路里面,防止电路断开瞬间电感存储的电荷反过来影响电路或元器件,所以需要并联一个二极管在电感或电容两段。如下图为例,如果突然电源断开,电感会利用其存储的磁场效应,瞬间感生出一个反向电压来抑制电压的突然降低,当这个反向感生的电压大到一定程度则有可能导致电路故障或者元件损坏,所以这时候如果有一个二极管瞬间导通与电感形成“自回路”就及时的保护了电路。所以这种二极管叫做“Snubber Diode”,“Flyback Diode”,“Freewheeling Diode”,“Suppressor Diode”等等。

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2、反向击穿特性:利用二极管的反向击穿特性可以做一个钳位二极管(Clamp电压)或者做保护二极管(Protection Diode),并联一个二极管在电路的输入端(通常在I/O PAD上)或者在MOSFET的Gate上,这样在电路正常工作的时候这个二极管是方向截止的,但是当输入电压异常超过这个二极管的反向击穿电压的时候,这个二极管旁路就会瞬间击穿从而保护内部电路(Circuit Protection)。但是这个击穿是可以恢复的哦,我记得我以前在讲PN结的时候就说过,电击穿都是可恢复的,只有热击穿是不可恢复的。(如下示意图)

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3、正偏耗尽区变窄反偏耗尽区变宽:可做变容二极管(Varactor Diode),随着电压变化PN结的结电容也会变化。

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这种变容二极管一般主要用于RF电路里作为滤波用,一般在RF电路的接收端,因为滤波电容会接受不同频率的信号分别去滤波,所以它必须根据接收到的信号的频率去改变自己的电容来相应做滤波,所以需要外加一个控制器来控制它的电压来改变电容的目的,也可以叫做频率调制(Frequency Modulators 或者 RF Phase Shifter)。

变容二极管的另外一个应用是作为LC震荡电路,有一种叫做Voltage Controlled Oscillators就是利用变容二极管来实现的。

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4、光子碰撞产生电子空穴对电流:这种就是光电二极管(Photo-Diode or Optical Diode)。它其实就是普通的二极管,在反偏的时候只有非常微弱的漏电流,我们在光电二极管应用的时候称之为暗电流(Dark Current),当有光照射的时候光子撞击晶格,当光子(Photon)能量大于半导体能带(hv>bandgap, h是普朗克常量,v是光的频率)的时候会产生电子空穴对(Quantum effiency),在反向电场的情况下被吸走形成光电流,所以光的强度越大它的反向电流就越大,而如果光子能量小于能带(hv<Eg),则光被吸收掉,不产生光电流,这就是一个光信号转电信号的过程,所以我们知道我们的手机如何自动调节亮度的了吧?

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那问题来了,为什么我们很多半导体器件测试的时候对光没有那么敏感?我曾经考虑了这个问题很久,直到我自己做optical sensor去研究才发现,原来光子必须在PN结耗尽区被吸收产生的载流子才能以多子的方式在反向电场下迅速被拉过去形成电流,而如果光子在非PN结区域被吸收则很难穿过PN结形成电流。而我们正常的器件的PN结一般浓度比较高,PN结耗尽区比较窄吸收光的量就比较少,这就是为什么光学二极管(optical sensor)必须要用非常低浓度掺杂的原因了,就是为了得到比较宽的耗尽区(几乎本征)。

但是问题又来了,光有很多种波长,我们如何选择波长呢?还是回到hv以及耗尽区的问题上,我们只要控制好尺寸让尽可能多的指定的hv刚好落在特定深度的耗尽区上就可以产生光电流了,技术细节可以私下找我详谈。

5、电子空穴对的复合会释放光:所以又有了LED二极管,即Light Emmiting Diode。它也是一个普通二极管,它与光学二极管不一样的是它是工作在正向偏置,所以P型源源不断输送空穴,而N型源源不断输送电子,她们在PN结那里碰面之后就复合了,由于电子和空穴所处的能量状态不同,她们复合之后会释放出多余的能量就是光,释放的能量越多则波长越短。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。

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再回到好奇心层面,为什么常规的二极管加正偏电压没看到过光?因为禁带宽度不够窄,所以正向伏安曲线不够陡,所以没法发光,所以LED的二极管必须用禁带宽度窄的材料,大都选用无机物半导体材料由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成,所以很多LED也叫OLED (Organic LED)。

好吧,二极管的分类差不多就这些了,但是细分领域还有很多,比较经典的应用就是齐纳二极管(Zener Diode),肖特基二极管(Schottky Diode),还有PIN Diode。这些还是在上面的应用范畴里,只是因为应用的要求提高所以衍生出来的二极管器件。再聊一下吧:

1、Zener Diode:中文叫齐纳二极管,这是根据发明人命名的,它还有个名字叫隧道二极管(tunnel diode)这是根据工作原理命名的。以前介绍过,半导体浓度掺杂越高,则禁带宽度越窄,所以当浓度高到一定程度的时候价带顶超过了导带底则电子可以直接在很低的电压下隧穿过去了形成了隧道击穿,而不是低浓度下的雪崩击穿了。所以Zener diode必须是两边浓度比较高的,其击穿电压大约在6~8V(取决于doping profile)。工作原理参考《Physics and Radio Electronics》。

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一般情况下高浓度掺杂都在比较面,所以常规的Zener也叫做"Surface Zener Diode"。但是surface器件都有个固有的问题就是oxide与Si的interface问题,所以surface zener容易随时间变化而升高,因为击穿产生的电荷都被inject到interface去了。当然这种问题的解决方法就是bake了。当然如果要想避免surface zener的问题,所以就引入了Buried Zener 或者叫Subsurface Zener,就是上面做个大的N+,下面做个小的P+,这样P+和N+的界面PN结就不在表面了,只是这种工艺比较复杂。

另外,齐纳二极管和雪崩二极管不一样的地方在于温度系数,Zener是负温度系数,而雪崩是正温度系数。

2、Schottky Barrier Diode(SBD):中文叫肖特基势垒二极管(Schottky发明的)。这玩意也叫surface barrier diode。他是金属和半导体接触由于功函数差形成的势垒,它和雪崩二极管以及齐纳二极管比起来,最大的好处就是速度快。因为一般的PN结是两个耗尽区,所以电容电容充放电以及少子注入时间比较长,所以速度相对较慢,然而SBD只有单边的阴极是Si,另一边阳极是金属没有耗尽区,所以它的速度比普通PN结快不是一点点啊。当然这种二极管的正向导通电压也会比普通二极管低(一般SBD的Vb是0.15~0.45V,而PN结的Vb是0.7V)。

在I-V特性上,SBD与普通的PN结也是不一样的,正向的时候SBD主要是多子热激发(Thermionic Emission of Majority carriers),而普通PN结是少子注入(Minority injection)。所以SBD又叫Hot carrier diode,因为多子激发速度远比少子注入速度快,这就是为什么SBD速度快的原因,常用于微波、MESFET、太阳能、光电探测器等对于速度要求非常高的应用。

SBD工艺对阴极和阳极的要求非常高,金属早期选择Ti/TiSix,比较好的选择Pt。而衬底必须是比较淡的N-type衬底,浓度越低禁带越宽,反向击穿才能拉高。但是不可避免又回到了界面器件固有的问题-界面态,他会拉高整体的势垒高度,书本上叫做pinning effect或“钉扎效应”。所以实际的势垒是Metal与Si固有的gap (MIGS: Metal Induced Gap State)与Charged interface state组成的,而key dominate一般都是后者为主,当然这个interface state有可能是正也有可能是负,完全取决于Process dependent process imperfection。

除了上面讲的Interface问题,还有个重要问题就是edge电场的问题,我们知道金属和Si接触在接触面的边缘一定是电场最强的地方,所以那里永远都是最weak的,所以一般都是需要设计guard ring,不然你的process就要被搞死了。

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3、PIN Diode:它就是在普通PN结二极管之间加了一个“Intrinsic region”的三明治结构,实际上它不是完全的Intrinsic,而是非常淡的N- layer,最好是EPI。这种二极管的作用是啥呢?还是先讲特性吧。

正向偏置下,由于I-region电阻非常高但是电容非常低,所以两边的N+和P+可以随便注入载流子,所以注入进去的载流子可以改变I-region的电阻作为可变电阻(Variable Resistor)。

按照上述说法,两边的N+和P+注入的载流子等效进入I-region,当电阻调制到1ohm附近是则可以变成一个非常好的RF conductor,则可以用作RF switch。

反向偏置下,这就是一个完美的光电二极管(Photo detector)。而且非常低浓度的I-region也可以得到很高的击穿电压,所以又可以用作高压开关。

所以PIN diode的重点在于中间I-region的浓度和宽度!

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4、除了上面常用的外,还有一些Impatt Diode、 Trapatt Diode、 Baritt Diode用于高频微波等领域,大家自己学吧,我也不太懂了。

好了,二极管的部分就讲到这里吧,以前以为二极管简单,直到自己做SBD栽了无数跟头之后才发现:“没那么简单!”