二极管文献综述.docx

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二极管文献综述

二极管文献综述

一．引言

大家知道，中国是全球最大的半导体功率器件生产基地，二极管更是占了很大的比例。

在过去的20多年中，中国经济飞速发展，更加促进了二极管的发展。

而这学期我学了电工电子这门课程，对其中所学的二极管内容产生极大的兴趣，以此为背景，我尝试对该领域内主要贡献者的观点进行归纳，并梳理其理论逻辑，我认为通过这条途径可以增进我对二极管知识的理解能力，本篇综述主要是通过对二极管的历史（寻求研究问题的发展历程）、现状、基本内容（寻求认识的进步），研究方法的分析（寻求研究方法的借鉴），已解决的问题和尚存的问题，重点、详尽地阐述对当前的影响及发展趋势，现作主要阐述。

二．正文

1．历史

1907年，HenryJosephRound第一次在碳化硅里观察到电致发光现象，从此科技工作者们便开始了崭新的探索之旅，这一旅程，从黑暗到黎明，却是整整一个世纪。

20世纪20年代晚期，BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化合物与铜中提炼的黄磷产生发光，但发光太暗，无法应用化。

1936年，GeorgeDestian发表了关于硫化锌粉末发射光线的报告，最终出现了“电致发光”这一具有广泛意义的专业术语。

20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用（半导体）砷化镓发明了第一枚具有现代意义的LED（LightEmittingDiode）。

20世纪60年代末，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。

当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。

经过近３０年的发展，现在大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。

20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，是上世纪LED发展最快的10年，除了一些核心技术问题得到攻克外，LED开始在部分国家和地区广泛取代传统光源和替代交通信号灯，同时白光LED面世，开启了照明和光电显示领域的新境界，1992年，蓝色LED在Nichia成功走出实验室，1997年，白光LED诞生。

LED从最初的约0.05Lm/W的光效，经历了0.1Lm/W时代，数Lm/W时代，数十Lm/W时代，到现在的约90Lm/W的发效率，并且现代技术的LED，发展遵守摩尔定律，每18个月亮度就会提高一倍。

2．现状

二极管种类繁多,它就像衣服的纽扣拉链一样个头虽小却必不可少，无处不在。

 二极管就封装形式而言,主要包含了两个大类,即插件和贴片.这两个大类底下又包含了很多分支,DO系列、TO系列是插件二极管最常见的两个大系,SMA、SMB、SMC、CD、SOD系列、SOT系列、DFN、QFN等形式属于贴片式封装. 按照封装材料可以分成玻封、塑封和金封.塑封占据着大多数的市场,然而我们经常用到的4148开关管及稳压二极管属于玻璃封装.在小功率二极管里,金封非常少见。

技术现状：

无机发光二极管（LED）

 在1962年，通用电气的高级半导体化合物实验室发明了第一个实用的可见光光谱的LED。

这个LED由p-n同质结构的GaAsP组成。

在接下来几年中，这种技术持续改善，在六十年代晚期商用的红光LED出现。

然而第一个商用LED的效率很低，才0.1流明每瓦。

在过去三十年中研究人员持续改善该技术，取得了高效率，发光光谱也日益扩大，使用了新的III-V族化合物，今天市场上也出现了高亮度LED阵列。

LED的发射光谱是离散的，目前可以制造的发光光谱分布在紫外、可视和红外区域。

高亮度发光二极管

 2004年开始，发光二极管（LED）发展成本大幅减少，产量激增，其中标准和指示灯的LED生产将占这类产品的大部份。

但是，到2008年，将以高亮度发光二极管（HB-LED）和超高亮度发光二极管（UHB-LED）为主要营收的产品种类。

高亮度发光二极管，泛指以四元化合物及氮化镓（GaN）系化合物所制成的LED。

由于高亮度发光二极管应用领域被持续开发，除各种显示器及交通信号灯外，在汽车工业中也占有一席之地，例如第三刹车灯、尾灯组、仪表板背光等，另外还被广泛地应用在可携式产品，如手机、PDA、数码相机的LCD显示器背光源等。

GaN发光二极管

作为一种宽禁带半导体材料，GaN能够激发蓝光的独特物理和光电属性使其成为化合物半导体领域最热的研究领域，近年来在研发和商用器件方面的快速发展更使得GaN基相关产业充满活力，GaN基的商用电子器件仍在加紧开发中。

由于许多公司宣布下一代高清晰DVD即将出货，期盼已久的蓝紫激光器（405nm）在光学数据存储领域将会一显身手，成为GaN产业的又一个重要应用市场，高清晰电视（HDTV）的信息内容和显示器开发也将影响下一代蓝紫光DVD光盘的普及。

3、基本内容

（1）ＰＮ结的形成

　　当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起的时侯，由于交界面处存在载流子浓度的差异→多子扩散→产生空间电荷区和内电场→内电场阻碍多子扩散，有利少子漂移

　　当扩散和漂移达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结。

（2）ＰＮ结的单向导电性

　　外加正向电压→多子向ＰＮ结移动，空间电荷区变窄，内电场减弱→扩散运动大于漂移运动→正向电流

　　外加反向电压→多子背离ＰＮ结移动，空间电荷区变宽，内电场增强→漂移运动大于扩散运动→反向电流。

　　当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。

（3）半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型这样几类。

A．伏安特性

　它可划分为三个部分：

a、正向特性（外加正向电压）

　　当正向电压超过某一数值后，二极管才有明显的正向电流，该电压值称为导通电压。

B、反向特性（外加反向电压）

　　在反向电压小于反向击穿电压的范围内，由少数载流子形成的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。

　由二极管的正向与反向特性可直观的看出：

①二极管是非线性器件；②二极管具有单向导电性。

C、反向击穿特性

　　当反向电压增加到某一数值ＶBR时，反向电流急剧增大，这种现象叫做二极管的反向击穿。

（4）二极管应用电路

　a、限幅电路---利用二极管单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成，将信号限定在某一范围中变化，分为单限幅和双限幅电路。

多用于信号处理电路中。

b、箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。

c、开关电路---利用二极管单向导电性以接通和断开电路，广泛用于数字电路中。

d、整流电路---利用二极管单向导电性，将交流信号变为直流信号，广泛用于直流稳压电源中。

e、低电压稳压电路---利用二极管导通后两端电压基本不变的特点，采用几只二极管串联，获得3V以下输出电压

f、二极管的主要参数

1）最大整流电流

　　是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。

因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为141左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。

所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。

例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

2）最高反向工作电压

　　加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。

为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。

3）反向电流

　　反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。

反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。

值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10℃，反向电流增大一倍。

例如2AP1型锗二极管，在25℃时反向电流若为250uA，温度升高到35℃，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75℃时，它的反向电流已达8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。

又如，2CP10型硅二极管，25℃时反向电流仅为5uA，温度升高到75℃时，反向电流也不过160uA。

故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

4）动态电阻Rd

　　二极管特性曲线静态工作点Q附近电压的变化与相应电流的变化量之比。

（5）特殊二极管

A．稳压二极管

a、工作原理：

稳压管是一种特殊的二极管，它利用ＰＮ结反向击穿后特性陡直的特点，在电路中起稳压作用。

稳压管工作在反向击穿状态。

b、主要参数：

稳定电压Ｖz、稳定电流Ｉz、最大工作电流ＩzM和最大耗散功率ＰzM

B．发光二极管

 　发光二极管是一种将电能转化为光能的特殊二极管。

　　发光二极管简写成了ＬＥＤ，其基本结构是一个ＰＮ结，它的特性曲线与普通二极管类似，但正向导通电压

   一般为1～2Ｖ，正向工作电流一般为几～几十毫安。

C．光电二极管

 　光电二极管又叫光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管。

D．变容二极管

  利用二极管结电容随反向电压的增加而减少的特性制成的电容效应显著的二极管。

多于高频技术中。

4.研究方法的分析

A、万用表检测普通二极管的极性与好坏。

检测原理：

根据二极管的单向导电性这一特点性能良好的二极管，其正向电阻小，反向电阻大；这两个数值相差越大越好。

若相差不多说明二极管的性能不好或已经损坏。

测量方法：

将两表棒分别接在二极管的两个电极上，读出测量的阻值；然后将表棒对换再测量一次，记下第二次阻值。

若两次阻值相差很大，说明该二极管性能良好；如果两次测量的阻值都很小，说明二极管已经击穿；如果两次测量的阻值都很大，说明二极管内部已经断路：

两次测量的阻值相差不大，说明二极管性能欠佳。

在这些情况下，二极管就不能使用了。

由于二极管的伏安特性是非线性的，用万用表的不同电阻挡测量二极管的电阻时，会得出不同的电阻值；实际使用时，流过二极管的电流会较大，因而二极管呈现的电阻值会更小些。

B、特殊类型二极管的检测。

①稳压二极管

稳压二极管是一种工作在反向击穿区、具有稳定电压作用的二极管。

其极性与性能好坏的测量与普通二极管的测量方法相似。

稳压二极管的测量原理是：

万用表Rxlk挡的内电池电压较小，通常不会使普通二极管和稳压二极管击穿，所以测出的反向电阻都很大。

当万用表转换到Rx10k挡时，万用表内电池电压变得很大，使稳压二极管出现反向击穿现象，所以其反向电阻下降很多，由于普通二极管的反向击穿电压比稳压二极管高得多，因而普通二极管不击穿，其反向电阻仍然很大。

②发光二极管LED（LightEMittingDiode）

发光二极管是一种将电能转换成光能的特殊二极管，是一种新型的冷光源。

发光二极管工作在正向区域，其正向导通（开启）工作电压高于普通二极管。

外加正向电压越大，LED发光越亮，但使用中应注意，外加正向电压不能使发光二极管超过其最大工作电流，以免烧坏管子。

③光电二极管

光电二极管又称为光敏二极管，它是一种将光能转换为电能的特殊二极管，其管壳上有一个嵌着玻璃的窗口，以便于接受光线。

光电二极管工作在反向工作区。

无光照时，光电二极管与普通二极管一样，反向电流很小（一般小于o．1uA），光电管的反向电阻很大（几十兆欧以上）；有光照时，反向电流明显增加，反向电阻明显下降（几千欧到几十千欧），即反向电流（称为光电流）与光照成正比。

5、已解决的问题和尚存的问题

二极管的广泛应用解决了很多问题，给人们的生活带来极大的方便，现介绍几种二极管的应用：

A、变容二极管：

使用于电视机的高频头中

B、整流二极管:

利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。

C、开关元件:

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。

利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

D、检波二极管:

在收音机中起检波作用

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。

利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

E、继流二极管:

在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。

虽然二极管有很多方面的应用，但它也存在自身的问题，也有一些技术上的难题需研究解决。

（1）首先是发光效率问题。

提高LED的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与LED芯片的结构和制造工艺。

（2）高功率问题。

作为照明，单个LED输出的光通量必须足够大，欲加大LED的光通量，首先必须注入足够的电功率。

但LED芯片的温升不能过高，否则各项性能特别是使用寿命会受到很大的影响。

显然，设计较大输入功率的LED器件和灯具，除需用面积较大的芯片外，还必须有良好的散热结构。

（3）由于LED照明需由多个LED管组成，其参数离散性也是一个技术问题。

除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构（包括LED的排列和位置布局）和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。

   （4）此外，由于多个LED组成一只照明灯具时，免不了对LED进行并联、串联。

而在使用过程中只要有一个LED短路或开路，都将会导致整小片或整条LED熄灭，影响照明效果。

为此，必须研究简单而廉价的保护电路，使这种不良影响降至最低限度。

（5）鉴于LED对散热条件的要求较高，如果管芯结温超过标准限定值，将导致不可恢复性光强衰减。

因此，除使用时要有足够的散热措施外、还必须有合理的电路设计和电路布局，尽量使LED保持良好的工作状态，充分发挥它的长寿命优点。

（6）散热问题LED的工作状态和散热设计不仅直接关系到LED实际发光效率，也关系到实际使用寿命。

性价比问题：

由于目前LED芯片的价格仍处于较高价位，LED路灯的价格与传统灯具相比仍然偏高。

6、二极管的发展趋势

自二十世纪90年代以来，发光二极管的发展极为迅猛，亮度大为提高，各种颜色的超高亮度发光二极管纷纷涌现。

利用这一高新技术来改进试验教学，一方面可替代一些传统光源，如白炽灯，蜡烛等，方便安全可靠，不会对学生带来可能的伤害。

另一方面，利用发光二极管对电压，电流极为敏感，响应时间短，直观可靠的特点，可简化实验，使实验形象生动，简单易懂。

并且通过与原有实验比较，可激发学生的学习热情，并激发学生思索如何改进一些实验方法和实验态度有很大帮助。

同时，对加深学生对物理现象的理解，改善教学效果，实现物理教学的现代化具有重要的现实意义。

其次，在全球能源危机凸现时，发光二极管（LED）照明以其绿色环保，高效节能的优势成为当前最具潜力的照明方式之一。

突破了传统指示灯，信号灯，装饰照明等领域，使LED技术在一些通用照明中得到越来越多的应用，尤其在道路照明发展迅速。

当前，随着发光二极管（LED）照明技术的不断发展，主要是其功率的增加，效率的提高，成本的下降，越来越多的被各类照明工程所采用。

LED不但在装饰性照明领域，而且在功能性照明领域也已占有一席之地。

如信号灯、汽车尾灯、防水防爆型电筒，包括一部分室内照明及道路照明。

LED作为一种固体照明光源，以其长寿命、高光效、多光色及一次配光定向照射功能，可在安全低电压下工作，也可连续开关闪断，能轻松实现0～100％调光功能等诸多优势，成为新一代光源的发展趋势。

三、结论

尽管发展二极管照明系统目前尚存在一系列技术关键问题需要解决，但随着发光二极管管芯光效的迅速提高，发光二极管的封装与灯具制造工艺的进一步改进，一些经济上和技术的障碍将逐步消除。

相信在不久的将来，二极管在很多领域获得广泛应用，二极管有着很美好的发展前景。

四、参考文献

1《电工电子学》第三版；高教出版社；叶挺秀张伯尧

2《回顾LED发展历程展望LED未来》；2009-02-02山东照明网；

3《关于发光二极管和半导体照明的探究》；陈哲艮；（浙江省能源研究所，浙江杭州）

4《从专利分析看国内发光二极管的发展趋势》梁建军2005年1月

5《发光二极管（LED）室内照明发展现状》；唐国庆2009年3月