本章以 PN 接面物理為基礎，深入分析各類特殊二極體。

一、整流二極體：物理層面

整流的核心需求

  • 順向：低 V_F、高 I_F、低 R_S
  • 反向：高 V_BR、低漏電、快速恢復

V_F 與摻雜濃度的取捨

  • 重摻雜：V_F 低、漏電大、V_BR 低
  • 輕摻雜：V_F 高、漏電小、V_BR 高

實際整流二極體常用「PIN」結構（P+ / Intrinsic / N+）： - P+ N+ 重摻雜降低 V_F - 中間 I 層提供高擊穿電壓

V_BR 與漂移區寬度

漂移區寬度決定耐壓：

$$V_{BR} \approx E_{crit} \times W_{drift}$$

矽 E_crit ≈ 3 × 10⁵ V/cm。

→ 1000V 二極體需要漂移區 ≈ 33 µm。

二、快速恢復二極體（FRD）

反向恢復過程

順向時接面附近有大量少數載子。 切換到反向時，這些載子需要時間「排空」：

電流
  │
  │ ─順向─┐
  │       │
  │       │
  │       │  (V_R 加上後)
  │       │
  │       └────╲      ◄ 反向過衝（重要！）
  │             ╲
  │              ╲___ ────► 時間
  │
  │←─ t_rr ──→

t_rr 由： - 少數載子壽命 τ - 反向電壓 V_R - 切換時的 di/dt

決定。

縮短 t_rr 的技術

  1. 生命時間殺手：摻雜金（Au）或鉑（Pt）製造復合中心 → 但 V_F 會增加
  2. 電子輻照：可控的辦法
  3. 表面 N+ buffer 層：吸收電場
  4. 改用蕭基二極體：徹底消除 t_rr

t_rr 等級

類型 t_rr
一般整流 1–5 µs
快速整流（FR） 200–500 ns
超快速（UF） 50–100 ns
蕭基 < 10 ns（接近 0）
GaN < 1 ns

三、蕭基二極體（Schottky）

結構：金屬-半導體接面

   金屬（Anode）
─────────────
    ─ 蕭基界面 ─
─────────────
   N 型半導體
─────────────
   N+ Substrate
─────────────
   金屬（Cathode）

蕭基障壁

$$\Phi_B = \Phi_M - \chi_S$$

  • Φ_M：金屬功函數
  • χ_S：半導體電子親和力

V_F 計算

$$I = A^* T^2 e^{-\Phi_B / kT} \cdot (e^{V/V_T} - 1)$$

A*：理查森常數，矽 ≈ 110 A/(cm²·K²)

矽蕭基典型 V_F：0.2–0.4V（依金屬選擇）

為什麼蕭基沒有 t_rr？

金屬中沒有「少數載子」概念，純粹是多數載子（電子）流動，因此切換瞬間結束。

蕭基的缺點

  1. 反向漏電大：障壁低，T 上升漏電倍增
  2. V_BR 較低：一般 < 100V，現代有 SiC 蕭基可達 1700V
  3. 熱失控傾向：高溫下漏電增大 → 發熱 → 漏電更大

SiC 蕭基

碳化矽蕭基大幅突破限制： - V_BR：650V–1700V - 高溫工作（200°C+） - 用於電動車、太陽能

四、Zener 二極體深入

工作機制

  • < 5V：齊納擊穿（量子穿隧）
  • 5–6V：兩種共存（過渡區）
  • > 6V：雪崩擊穿

溫度係數

V_Z 溫度係數
< 4V 強負（-mV/°C）
~ 5V 接近 0
~ 6V 接近 0（最佳）
> 7V 正（+mV/°C）

經典：1N4734（5.6V）、1N4735（6.2V）有最低溫度係數，常作精密參考。

動態電阻 r_z

實際 Zener 不是理想電壓源，有「動態電阻」：

$$r_z = \frac{\Delta V_Z}{\Delta I_Z}$$

典型 5–50 Ω（小電流時更大）。 影響：負載電流變化時輸出電壓會變化 ΔV = ΔI × r_z

Zener 簡易穩壓設計

要點： 1. 最小工作電流 ≥ I_Z(min)（datasheet 規定） 2. 最大功耗 ≤ 0.5 P_Z(max) 3. 取最壞情況：負載最輕時 Zener 電流最大

溫度補償

V_F 二極體（負溫度係數 -2 mV/°C）+ 6.2V Zener（+2 mV/°C）串聯 → 溫度係數抵消。

精密參考 IC 用此技術，達到 ppm/°C 級穩定度。

五、PIN 二極體

結構：P+ / I / N+

中間是「本質（intrinsic）」層，極輕摻雜或無摻雜。

特性

  • 順向時：I 區充滿載子，等效電阻變化大
  • 用作「可變電阻」（射頻控制）
  • 大面積 / 低電容
  • 高耐壓

應用

A. RF 開關 / 衰減器

順向偏壓控制 I 區的「儲存電荷」量，等效電阻可從 Ω 到 kΩ 變化。 用於：射頻訊號路徑切換、可變衰減器、限幅器。

B. 高功率整流

I 層提供大耐壓，常見於高壓直流（HVDC）、雷射驅動。

C. 光電二極體

PIN 結構的本質區作為「光吸收區」，可達 ns 級反應速度。

六、變容二極體（Varactor / Varicap）

利用 C_j 隨 V_R 變化

$$C_j = \frac{C_{j0}}{(1 - V/V_{bi})^m}$$

  • m = 1/2：突變接面（abrupt）
  • m = 1/3：漸變接面（linearly graded）
  • 超突變（hyperabrupt）：m > 1，更靈敏

應用

A. VCO（Voltage Controlled Oscillator）

LC 振盪器中用 Varactor 取代固定電容，控制電壓 → 改變頻率。

B. PLL（Phase Locked Loop）頻率合成

PLL 的核心 VCO。

C. 自動頻率調諧

汽車收音機、舊式類比 TV。

D. 參量放大器

低雜訊射頻放大（衛星通訊）。

經典型號

  • BB910, MV209：FM 調諧
  • SMV1232：高頻 VCO

七、TVS（Transient Voltage Suppressor）

結構

實際是「快速 Zener」+ 大面積 + 低電感封裝。

功能

吸收瞬態能量（雷擊、靜電、開關 spike）：

線路 ───┬──── 設備
        │
       [TVS]
        │
       GND

平時：截止（極小漏電） 雷擊：擊穿並箝位電壓在 V_C，吸收能量

規格

  • V_RWM（反向工作電壓）：平時不導通的最高電壓
  • V_BR（擊穿電壓）：開始導通
  • V_C（箝位電壓）：吸收最大瞬態時的最高電壓
  • I_PP（峰值脈衝電流）
  • 電容：影響高速訊號（USB 3.0、HDMI 要選低電容）

單向 vs 雙向

  • 單向：用於 DC 電源線
  • 雙向：用於 AC 訊號線（D+/D-、RS-485）

應用範例

A. USB 介面保護

每對 D+/D- 加一顆超低電容 TVS（< 1 pF for USB 3.0）。

B. 電源輸入

12V 電源輸入加一顆 V_RWM = 14V 的 TVS，防止汽車環境的 -100V/+200V 瞬變。

C. 乙太網路

每對信號線都有 TVS 保護。

八、特殊二極體一覽

1. 隧道二極體（Tunnel Diode）

利用量子穿隧的「負微分電阻」區域。 - 高頻特性極佳（GHz） - 但小電流，難用於大功率 - 已被其他元件取代

2. IMPATT 二極體

利用雪崩 + 渡越時間的負電阻，產生微波振盪。 - 雷達、毫米波應用 - 高雜訊

3. Gunn 二極體

GaAs 中的負電阻效應。 - 微波振盪源（汽車雷達早期、自動門感測）

4. 快速恢復磊晶二極體（FRED）

磊晶製程，高速 + 低 V_F。

5. 雪崩二極體（Avalanche Diode）

設計成可重複進入雪崩區，用作微波雜訊源、TVS。

九、二極體選用實務

整流：選誰？

應用 推薦類型
60 Hz 整流 一般 1N400x、橋式整流模組
100–500 kHz 開關電源 蕭基（< 100V）或快恢復（> 100V）
1 MHz+ 蕭基或 SiC 蕭基
高壓（kV） 高壓整流模組（內含多串聯）
大電流（> 50A） TO-247 / TO-264 封裝

保護：選誰？

場景 推薦
ESD（< 30 kV 短脈衝） 低電容 TVS
雷擊（kV 級長脈衝） 大功率 TVS + GDT 配合
反電動勢（電感負載） 一般二極體（1N4148/1N4007）
高速數位 ESD 內含 PIN diode 陣列（如 USBLC6）

訊號：選誰？

場景 推薦
小信號開關 1N4148（低 C_j、快速）
微弱訊號偵測 鍺二極體（V_F 0.2V）或 zero-bias 蕭基
射頻偵測 蕭基
雙向訊號 雙向 TVS

十、本章總結

✅ 您應該理解：

  • [x] 整流二極體的內部結構與耐壓設計
  • [x] 反向恢復時間的物理本質與縮短方法
  • [x] 蕭基二極體的金屬-半導體機制
  • [x] Zener 的兩種擊穿機制與溫度補償
  • [x] PIN 二極體的可變電阻特性
  • [x] Varactor 的電壓控制電容
  • [x] TVS 的瞬態保護機制
  • [x] 各類二極體的選用情境

自我檢測

  1. 為什麼一般 PN 二極體不能用在 1 MHz 開關電源？
  2. 蕭基二極體的反向漏電比一般 PN 大還小？
  3. Zener 5.6V 與 3.3V 在溫度係數上有何不同？
  4. PIN 二極體中間的 I 層作用？
  5. 選 USB 3.0 的 TVS 時，最重要的規格是？

解答

  1. 反向恢復時間 µs 級，每個切換週期 1 µs 中有大半時間在反向恢復，效率劇降且發熱嚴重
  2. 大很多。蕭基障壁低，溫度敏感，漏電可達 mA 級
  3. 5.6V 接近零（過渡區）；3.3V 是純齊納，溫度係數負（約 -2 mV/°C）
  4. 提供大空乏區（高耐壓）、儲存載子（射頻可變電阻）、光吸收區（PIN 光電二極體）
  5. 接面電容（< 0.5 pF），太大會嚴重影響高速訊號完整性

下一章

04-BJT原理深入.md — BJT 內部物理與精確模型。