二极管

　　二极管，（英语：Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。

　　早期的真空电子二极管；它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p－n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p－n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。

　　早期的二极管包含“猫须晶体（“Cat‘s Whisker” Crystals）”以及真空管（英国称为“热游离阀（Thermionic Valves）”）。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。

　　特性

　　正向性

　　外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。当二极管两端的正向电压超过一定数值 ，内电场很快被，特性电流迅速增长，二极管正向导通。 叫做门坎电压或阈值电压，硅管约为0．5V，锗管约为0．1V。硅二极管的正向导通压降约为0．6～0．8V，锗二极管的正向导通压降约为0．2～0．3V。

　　反向性

　　外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率锗管在μA数量级。温度升高时，半导体受热激发，少数载流子数目增加，反向饱和电流也随之增加。

　　击穿

　　外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。

　　二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管因为灯丝的热损耗，效率比晶体二极管低，所以现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

　　二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降0．7V，锗管正向管压降为0．3V，发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。主要有三种颜色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为2．0－－2．2V，黄色发光二极管的压降为1．8—2．0V，绿色发光二极管的压降为3．0—3．2V，正常发光时的额定电流约为20mA。

　　二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。

　　特性曲线

　　与PN结一样，二极管具有单向导电性。硅二极管典型伏安特性曲线。在二极管加有正向电压，当电压值较小时，电流极小；当电压超过0．6V时，电流开始按指数规律增大，通常称此为二极管的开启电压；当电压达到约0．7V时，二极管处于完全导通状态，通常称此电压为二极管的导通电压，用符号UD表示。

　　对于锗二极管，开启电压为0．2V，导通电压UD约为0．3V。在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流IS。当反向电压超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号UBR表示。不同型号的二极管的击穿电压UBR值差别很大，从几十伏到几千伏。

　　反向击穿

　　齐纳击穿

　　反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子－空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。如果掺杂浓度较低，势垒区宽度较宽，不容易产生齐纳击穿。

　　雪崩击穿

　　另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使电子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子－空穴对。新产生的电子－空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。无论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成PN结性损坏。

　　随着全球能源短缺趋势日益加剧，绿色节能环保的LED备受瞩目。世界各国都制订了本国LED照明发展计划，我国“”规划也对LED照明发展目标进行了明确描述，并将LED列为“”期间重点节能工程，位列国家七大战略性新兴产业中的节能环保产业和新材料产业。

　　随着LED照明产业的发展，从LED芯片的生产到灯具市场，已经形成了一条相对完善的产业链。但对于传统的LED照明，从芯片、封装、电路板一直到应用，各个环节都相对独立。不同场所的照明需求，对LED的封装提出了各种新的要求。如何在模组内集成多种技术，并通过系统封装的方式使LED模组封装趋于小型化、多功能化、智能化成为了我们需要探索的问题。从技术的角度来看，LED是一种半导体器件，容易与其他半导体相关技术相结合而发展出具有更高附加值的产品，开拓出全新的、传统照明无法触及的市场。LED多功能系统三维封装能够整合光源、有源、无源电子器件、传感器等元件，并将他们集成于单一微小化的系统之中，是极具市场潜力的一项新技术。

　　LED多功能封装集成技术

　　目前市场上存在一些简单的LED集成封装产品，但是集成度较低，不能满足未来LED发光模组对LED封装产品的需要。芯片模组光源的发展趋势体现了照明市场对技术发展的要求：便携式产品需要集成度更高的光源；在商业照明、道路照明、特种照明、闪光灯等领域，集成的LED光源有很大的应用市场。与封装级模组相比，芯片级模组体积较小，节省空间，也节省了封装成本，并且由于光源集成度高，便于二次光学设计。

　　三维立体封装是近几年发展起来的电子封装技术。从总体上看，加速三维集成技术应用于微电子系统的重要因素包括以下几个方面：

　　1．系统的外形体积：缩小系统体积、降低系统重量并减少引脚数量；

　　2．性能：提高集成密度，缩短互连长度，从而提高传输速度并降低功耗；

　　3．大批量低成本生产：降低工艺成本，如采用集成封装和PCB混合使用方案；多芯片同时封装等；

　　4．新应用：如超小无线传感器等；

　　目前有多种不同的先进系统集成方法，主要包括：封装上的封装堆叠技术；PCB（引线键合和倒装芯片）上的芯片堆叠，具有嵌入式器件的堆叠式柔性功能层；有或无嵌入式电子器件的高级印制电路板（PCB）堆叠；晶圆级芯片集成；基于穿硅通孔（TSV）的垂直系统集成（VSI）。三维集成封装的优势包括：采用不同的技术（如CMOS、MEMS、SiGe、GaAs等）实现器件集成，即“混合集成”，通常采用较短的垂直互连取代很长的二维互连，从而降低了系统寄生效应和功耗。因此，三维系统集成技术在性能、功能和形状等方面都具有较大的优势。近几年来，各重点大学、研发机构都在研发不同种类的低成本的集成技术。

　　半导体照明联合创新国家重点实验室针对LED系统集成封装也进行了系统的研究。该研究针对LED筒灯，通过开发圆片级的封装技术，计划将部分驱动元件与LED芯片集成到同一封装内。其中，LED与线性恒流驱动电路所需的裸片是电路发热的主要元件，同时体积比较小，易于集成，但由于主要发热元件需要考虑散热设计。其他元件体积较大，不易于集成。电感、取样电阻与快速恢复二极管等，虽说也有一定的热量产生，但不需要特殊的散热结构。

　　基于以上考虑，我们对发光模组的组装进行如下设计：

　　1．驱动电路裸片与LED芯片集成在封装之内，其余电路元件集成在PCB板上；

　　2．PCB电路板围绕在集成封装周围便于连接；

　　3．PCB与集成封装放置于热沉之上；

　　该结构的优势在于：体积较小；主要发热元件通过封装直接与热沉接触，易于散热；不需要特别散热的元件，放置在普通PCB上。相比MCPCB，节省了成本；在需要时，可将元件设计在PCB板的背面，藏在热沉的空区域中，避免元件对出光的影响。