二極管

　　二極管，（英語(yǔ)：Diode），電子元件當(dāng)中，一種具有兩個(gè)電極的裝置，只允許電流由單一方向流過(guò)，許多的使用是應(yīng)用其整流的功能。而變?nèi)荻䴓O管（Varicap Diode）則用來(lái)當(dāng)作電子式的可調(diào)電容器。大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流（Rectifying）”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過(guò)（稱為順向偏壓），反向時(shí)阻斷 （稱為逆向偏壓）。因此，二極管可以想成電子版的逆止閥。

　　早期的真空電子二極管；它是一種能夠單向傳導(dǎo)電流的電子器件。在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個(gè)PN結(jié)兩個(gè)引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的傳導(dǎo)性。一般來(lái)講，晶體二極管是一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體燒結(jié)形成的p－n結(jié)界面。在其界面的兩側(cè)形成空間電荷層，構(gòu)成自建電場(chǎng)。當(dāng)外加電壓等于零時(shí)，由于p－n 結(jié)兩邊載流子的濃度差引起擴(kuò)散電流和由自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。

　　早期的二極管包含“貓須晶體（“Cat‘s Whisker” Crystals）”以及真空管（英國(guó)稱為“熱游離閥（Thermionic Valves）”）�，F(xiàn)今最普遍的二極管大多是使用半導(dǎo)體材料如硅或鍺。

　　特性

　　正向性

　　外加正向電壓時(shí)，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區(qū)。這個(gè)不能使二極管導(dǎo)通的正向電壓稱為死區(qū)電壓。當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓以后，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)被克服，二極管正向?qū)�，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)二極管的端電壓幾乎維持不變，這個(gè)電壓稱為二極管的正向電壓。當(dāng)二極管兩端的正向電壓超過(guò)一定數(shù)值 ，內(nèi)電場(chǎng)很快被，特性電流迅速增長(zhǎng)，二極管正向?qū)ā?叫做門坎電壓或閾值電壓，硅管約為0．5V，鍺管約為0．1V。硅二極管的正向?qū)▔航导s為0．6～0．8V，鍺二極管的正向?qū)▔航导s為0．2～0．3V。

　　反向性

　　外加反向電壓不超過(guò)一定范圍時(shí)，通過(guò)二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。這個(gè)反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流，二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。一般硅管的反向電流比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流在nA數(shù)量級(jí)，小功率鍺管在μA數(shù)量級(jí)。溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，少數(shù)載流子數(shù)目增加，反向飽和電流也隨之增加。

　　擊穿

　　外加反向電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱為二極管反向擊穿電壓。電擊穿時(shí)二極管失去單向?qū)щ娦�。如果二極管沒(méi)有因電擊穿而引起過(guò)熱，則單向?qū)щ娦圆灰欢〞?huì)被破壞，在撤除外加電壓后，其性能仍可恢復(fù)，否則二極管就損壞了。因而使用時(shí)應(yīng)避免二極管外加的反向電壓過(guò)高。

　　二極管是一種具有單向?qū)щ姷亩似骷�，有電子二極管和晶體二極管之分，電子二極管因?yàn)闊艚z的熱損耗，效率比晶體二極管低，所以現(xiàn)已很少見(jiàn)到，比較常見(jiàn)和常用的多是晶體二極管。二極管的單向?qū)щ娞匦�，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半�?dǎo)體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用也非常廣泛。

　　二極管的管壓降：硅二極管（不發(fā)光類型）正向管壓降0．7V，鍺管正向管壓降為0．3V，發(fā)光二極管正向管壓降會(huì)隨不同發(fā)光顏色而不同。主要有三種顏色，具體壓降參考值如下：紅色發(fā)光二極管的壓降為2．0－－2．2V，黃色發(fā)光二極管的壓降為1．8—2．0V，綠色發(fā)光二極管的壓降為3．0—3．2V，正常發(fā)光時(shí)的額定電流約為20mA。

　　二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系，所以在將不同的二極管并聯(lián)的時(shí)候要接相適應(yīng)的電阻。

　　特性曲線

　　與PN結(jié)一樣，二極管具有單向?qū)щ娦�。硅二極管典型伏安特性曲線。在二極管加有正向電壓，當(dāng)電壓值較小時(shí)，電流極小；當(dāng)電壓超過(guò)0．6V時(shí)，電流開(kāi)始按指數(shù)規(guī)律增大，通常稱此為二極管的開(kāi)啟電壓；當(dāng)電壓達(dá)到約0．7V時(shí)，二極管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，通常稱此電壓為二極管的導(dǎo)通電壓，用符號(hào)UD表示。

　　對(duì)于鍺二極管，開(kāi)啟電壓為0．2V，導(dǎo)通電壓UD約為0．3V。在二極管加有反向電壓，當(dāng)電壓值較小時(shí)，電流極小，其電流值為反向飽和電流IS。當(dāng)反向電壓超過(guò)某個(gè)值時(shí)，電流開(kāi)始急劇增大，稱之為反向擊穿，稱此電壓為二極管的反向擊穿電壓，用符號(hào)UBR表示。不同型號(hào)的二極管的擊穿電壓UBR值差別很大，從幾十伏到幾千伏。

　　反向擊穿

　　齊納擊穿

　　反向擊穿按機(jī)理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。在高摻雜濃度的情況下，因勢(shì)壘區(qū)寬度很小，反向電壓較大時(shí)，破壞了勢(shì)壘區(qū)內(nèi)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，致使電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。如果摻雜濃度較低，勢(shì)壘區(qū)寬度較寬，不容易產(chǎn)生齊納擊穿。

　　雪崩擊穿

　　另一種擊穿為雪崩擊穿。當(dāng)反向電壓增加到較大數(shù)值時(shí)，外加電場(chǎng)使電子漂移速度加快，從而與共價(jià)鍵中的價(jià)電子相碰撞，把價(jià)電子撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生新的電子－空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子－空穴被電場(chǎng)加速后又撞出其它價(jià)電子，載流子雪崩式地增加，致使電流急劇增加，這種擊穿稱為雪崩擊穿。無(wú)論哪種擊穿，若對(duì)其電流不加限制，都可能造成PN結(jié)性損壞。

　　隨著全球能源短缺趨勢(shì)日益加劇，綠色節(jié)能環(huán)保的LED備受矚目。世界各國(guó)都制訂了本國(guó)LED照明發(fā)展計(jì)劃，我國(guó)“”規(guī)劃也對(duì)LED照明發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了明確描述，并將LED列為“”期間重點(diǎn)節(jié)能工程，位列國(guó)家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)和新材料產(chǎn)業(yè)。

　　隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從LED芯片的生產(chǎn)到燈具市場(chǎng)，已經(jīng)形成了一條相對(duì)完善的產(chǎn)業(yè)鏈。但對(duì)于傳統(tǒng)的LED照明，從芯片、封裝、電路板一直到應(yīng)用，各個(gè)環(huán)節(jié)都相對(duì)獨(dú)立。不同場(chǎng)所的照明需求，對(duì)LED的封裝提出了各種新的要求。如何在模組內(nèi)集成多種技術(shù)，并通過(guò)系統(tǒng)封裝的方式使LED模組封裝趨于小型化、多功能化、智能化成為了我們需要探索的問(wèn)題。從技術(shù)的角度來(lái)看，LED是一種半導(dǎo)體器件，容易與其他半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展出具有更高附加值的產(chǎn)品，開(kāi)拓出全新的、傳統(tǒng)照明無(wú)法觸及的市場(chǎng)。LED多功能系統(tǒng)三維封裝能夠整合光源、有源、無(wú)源電子器件、傳感器等元件，并將他們集成于單一微小化的系統(tǒng)之中，是極具市場(chǎng)潛力的一項(xiàng)新技術(shù)。

　　LED多功能封裝集成技術(shù)

　　目前市場(chǎng)上存在一些簡(jiǎn)單的LED集成封裝產(chǎn)品，但是集成度較低，不能滿足未來(lái)LED發(fā)光模組對(duì)LED封裝產(chǎn)品的需要。芯片模組光源的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)了照明市場(chǎng)對(duì)技術(shù)發(fā)展的要求：便攜式產(chǎn)品需要集成度更高的光源；在商業(yè)照明、道路照明、特種照明、閃光燈等領(lǐng)域，集成的LED光源有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。與封裝級(jí)模組相比，芯片級(jí)模組體積較小，節(jié)省空間，也節(jié)省了封裝成本，并且由于光源集成度高，便于二次光學(xué)設(shè)計(jì)。

　　三維立體封裝是近幾年發(fā)展起來(lái)的電子封裝技術(shù)。從總體上看，加速三維集成技術(shù)應(yīng)用于微電子系統(tǒng)的重要因素包括以下幾個(gè)方面：

　　1．系統(tǒng)的外形體積：縮小系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)重量并減少引腳數(shù)量；

　　2．性能：提高集成密度，縮短互連長(zhǎng)度，從而提高傳輸速度并降低功耗；

　　3．大批量低成本生產(chǎn)：降低工藝成本，如采用集成封裝和PCB混合使用方案；多芯片同時(shí)封裝等；

　　4．新應(yīng)用：如超小無(wú)線傳感器等；

　　目前有多種不同的先進(jìn)系統(tǒng)集成方法，主要包括：封裝上的封裝堆疊技術(shù)；PCB（引線鍵合和倒裝芯片）上的芯片堆疊，具有嵌入式器件的堆疊式柔性功能層；有或無(wú)嵌入式電子器件的高級(jí)印制電路板（PCB）堆疊；晶圓級(jí)芯片集成；基于穿硅通孔（TSV）的垂直系統(tǒng)集成（VSI）。三維集成封裝的優(yōu)勢(shì)包括：采用不同的技術(shù)（如CMOS、MEMS、SiGe、GaAs等）實(shí)現(xiàn)器件集成，即“混合集成”，通常采用較短的垂直互連取代很長(zhǎng)的二維互連，從而降低了系統(tǒng)寄生效應(yīng)和功耗。因此，三維系統(tǒng)集成技術(shù)在性能、功能和形狀等方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)。近幾年來(lái)，各重點(diǎn)大學(xué)、研發(fā)機(jī)構(gòu)都在研發(fā)不同種類的低成本的集成技術(shù)。

　　半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)LED系統(tǒng)集成封裝也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。該研究針對(duì)LED筒燈，通過(guò)開(kāi)發(fā)圓片級(jí)的封裝技術(shù)，計(jì)劃將部分驅(qū)動(dòng)元件與LED芯片集成到同一封裝內(nèi)。其中，LED與線性恒流驅(qū)動(dòng)電路所需的裸片是電路發(fā)熱的主要元件，同時(shí)體積比較小，易于集成，但由于主要發(fā)熱元件需要考慮散熱設(shè)計(jì)。其他元件體積較大，不易于集成。電感、取樣電阻與快速恢復(fù)二極管等，雖說(shuō)也有一定的熱量產(chǎn)生，但不需要特殊的散熱結(jié)構(gòu)。

　　基于以上考慮，我們對(duì)發(fā)光模組的組裝進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

　　1．驅(qū)動(dòng)電路裸片與LED芯片集成在封裝之內(nèi)，其余電路元件集成在PCB板上；

　　2．PCB電路板圍繞在集成封裝周圍便于連接；

　　3．PCB與集成封裝放置于熱沉之上；

　　該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于：體積較小；主要發(fā)熱元件通過(guò)封裝直接與熱沉接觸，易于散熱；不需要特別散熱的元件，放置在普通PCB上。相比MCPCB，節(jié)省了成本；在需要時(shí)，可將元件設(shè)計(jì)在PCB板的背面，藏在熱沉的空區(qū)域中，避免元件對(duì)出光的影響。