半导体的概念，二极管的伏安特性，反向击穿不一定损坏（笔记11）

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半导体

半导体

概念

自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类

前面已经学过电阻率，即衡量材料对电流的抵抗程度的物理量

导体：导电性能好，

半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间，

绝缘体：不导电，

（也有取其1/10或10倍的，暂不讨论）

材料类型

元素半导体：代表材料，硅(Si)、锗(Ge)，硅应用最广，稳定性高

化合物半导体： 代表材料，砷化镓(GaAs) ，高频性能优，用于光电领域‌

第三代半导体 ：代表材料，碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石，耐高压、高频、高温‌

应用领域

电子器件：二极管、晶体管、集成电路（IC），构成计算机、通信设备的核心‌

光电半导体：激光器、红外探测器（应用于量子通信、航空航天）

功率器件：SiC/GaN用于新能源、大功率电源转换

二极管

二极管

二极管是一种半导体器件，由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的，由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极，电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极

核心功能是允许电流单向导通（正向导通），阻止反向电流（反向截止），相当于电路中的“电子单向阀门”

正向钳位特性

伏安特性曲线

二极管的正向钳位特性是指利用二极管的‌单向导电性‌和‌正向导通压降稳定性‌，将电路中某点的电位强制限制在特定电平（通常为参考电压加上二极管正向压降）的电路功能

死区电压：

（也称开启电压或阈值电压）是二极管从截止状态进入导通状态所需的最小正向电压，其物理本质是克服PN结内建电场的势垒，硅管的死区电压约为0.5伏，锗管约为0.1伏，低于此值时二极管几乎不导通

正向压降：

正向压降是二极管完全导通后两端稳定的电压差值，反映导通时的能量损耗，硅管的正向压降稳定在0.6至0.8伏，锗管则稳定在0.2至0.3伏‌，可用于钳位保护

反向截止特性

伏安特性曲线

二极管的反向截止特性是指当施加反向电压（即二极管负极接电源正极，正极接电源负极）时，二极管呈现高电阻状态，阻碍电流通过的特性

理想状态下应完全截止，实际因半导体材料特性存在微小导通，电流极小（微安级）

击穿电压：

当二极管承受反向电压超过临界值时，反向电流剧增，该临界电压称为反向击穿电压（符号常为 或 ）‌，此时二极管可能发生永久损坏或可控稳压（如齐纳二极管）‌

温度升高引起伏安特性曲线变化

伏安特性曲线变化

正向特性变化：

温度升高时，二极管的正向伏安特性曲线向左移动

在相同的正向电流下，二极管所需的正向导通电压降低。常温下硅管的导通电压约为 0.7 V，温度升高后可能降至 0.6 V

温度每升高 1℃，正向导通电压约下降 2–2.5 mV，这是因为温度升高增强了多数载流子的扩散运动，降低了 PN 结的内建电场强度

反向特性变化：

温度升高时，二极管的反向伏安特性曲线向下移动

同一反向电压下，反向饱和电流增大

温度每升高 10℃，反向饱和电流约增大一倍。这是因为温度升高增强了本征激发，导致少数载流子浓度显著增加

温度升高会导致反向击穿电压降低。雪崩击穿电压随温度升高而增大，但齐纳击穿电压减小；综合作用下，多数二极管的反向击穿电压整体下降

二极管反向击穿

二极管击穿不一定损坏，关键在于反向击穿的类型和电流控制情况‌

电击穿

强电场使介质内载流子（如电子）加速，与晶格原子碰撞产生游离，引发雪崩式载流子倍增，最终击穿介质‌

包括‌齐纳击穿‌（高掺杂PN结的隧穿效应）和‌雪崩击穿‌（低掺杂PN结的碰撞电离）

两者均属可逆电击穿‌，只要反向电流被限制在安全范围内，二极管就不会永久损坏，而是能在撤去电压后恢复功能‌

热击穿

电场作用导致介质损耗发热，局部热量无法及时散失，温度持续升高，引发材料熔融或化学分解‌

属于‌热失控过程‌：温升→电阻下降→电流增大→发热加剧→永久失效‌

（注意：半导体器件（如二极管）的反向击穿若未限流，电击穿可能转化为热击穿，导致永久失效）

总结：

1、了解半导体的概念和应用领域

2、了解二极管的钳位特性和反向截止特性，和温度变化引起的伏安特性曲线变化

3、了解二极管反向击穿不一定损坏