二極管是用半導(dǎo)體材料制成的一種電子器件,由PN結(jié)、外部引線、管殼封裝而成,文字符號(hào)為VD。二極管有兩個(gè)電極,由P區(qū)引出的電極稱為陽極(正極),由N區(qū)引出的電極稱為陰極(負(fù)極);因?yàn)镻N結(jié)的單向?qū)щ娦?,二極管導(dǎo)通時(shí)電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。
二極管的主要原理就是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?,其本質(zhì)是在外加正向電壓的作用下,P區(qū)中的空穴和N區(qū)的電子在不斷進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),兩者與PN結(jié)處中的正負(fù)離子不斷進(jìn)行中和,從而使PN結(jié)范圍不斷變窄,最后導(dǎo)通。
作為最基礎(chǔ)的分立器件,二極管在幾乎所有電子電路中都有用處,二極管的單向?qū)щ娦?,能在開關(guān)電路、保護(hù)電路、穩(wěn)壓電路等各種場景中發(fā)揮作用。隨著需求的不斷更新和發(fā)展,二極管自身也發(fā)展出各式各樣的形態(tài),以下為十余種常見、常用二極管的電路圖表示法:
二極管的核心是PN結(jié),這一結(jié)構(gòu)的構(gòu)造,要從晶圓工藝方面去理解。半導(dǎo)體硅晶圓按照摻雜物質(zhì)的不同,分為N型晶圓和P型晶圓。N型晶圓是通過將硅晶體與摻有額外自由電子的元素(通常是磷或砷)摻雜制成的,能在硅晶體中增加額外的自由電子。P型晶圓是通過將硅晶體與摻有可以接受電子的元素(通常是硼)摻雜制成的,硅晶體中的自由電子數(shù)量減少,產(chǎn)生了“空穴”或正電荷空間。
進(jìn)入半導(dǎo)體材料的擴(kuò)散摻雜工序,N型材料與P型材料按照不同比例摻雜,可調(diào)整硅材阻值,這就是制造二極管、晶體管等集成電路基本結(jié)構(gòu)的初始材料。
從分立向集成的發(fā)展
回顧集成電路的發(fā)展史,早在1950年代,電子設(shè)備中的真空管逐漸被晶體管等取代,二極管等基本的電路器件都開始以晶體管形式制造。相比原先的真空管,晶體管在體積、壽命方面都有了長足進(jìn)步,但器件各自分立,所構(gòu)造出的電路還是過于龐雜。面對(duì)這種情況,德州儀器的工程師杰克·基爾比把二極管、三極管、電阻、電容等器件排布在同一塊襯底上,并加以連接,這就是最初的集成電路(IC),這毫無疑問是具有劃時(shí)代意義的發(fā)明。
基爾比的集成電路是以鍺(Ge)材料為基礎(chǔ),基本是在同時(shí)期,仙童半導(dǎo)體的羅伯特·諾伊斯開發(fā)出了基于硅(Si)材料的集成電路。相比基爾比的電路對(duì)各個(gè)部分采用飛線連接,諾伊斯則是在同一硅片上直接構(gòu)造出各個(gè)器件。實(shí)際上諾伊斯的發(fā)明更接近今天意義上的“芯片”,首先材料是硅,制造工藝則是類似于晶體管平面工藝。
基爾比與諾伊斯的集成電路對(duì)比 來源:互聯(lián)網(wǎng)
隨著晶體管制程的不斷微縮,我們得以在更小的芯片面積上,集成更多的基本結(jié)構(gòu)。以我們當(dāng)今的產(chǎn)品為例,從這枚LM158運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)圖中,即可看到有二極管、三極管、電阻等基本結(jié)構(gòu),電子工程師可通過此圖了解產(chǎn)品具體構(gòu)造及工作原理,進(jìn)而合理使用。
ST品牌LM158放大器結(jié)構(gòu)圖 來源:該產(chǎn)品Datasheet
結(jié)語
二極管作為重要的分立器件,在各種電路中都能找到其身影。而在集成電路中,它也是重要的基本結(jié)構(gòu)。IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今天,在各類集成電路的結(jié)構(gòu)中,都能找到二極管的身影。了解二極管,有助于我們更深入地理解集成電路,從最基本的結(jié)構(gòu)層級(jí)出發(fā),掌握各種器件的工作原理。
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