二极管的使用方法二极管的原理及应用 _二极管的原理及应用

文章插图

文章插图
二极管（Diode），是一种只允许电流由单一方向流过的半导体器件。从二极管内部PN结引出两个接线端子，当外加适当正向电压时，二极管会导通，电流从阳极流向阴极，相反，在外加适当反向电压时，二极管会截止而没有电流通过，这就是单向导电性。
它的原理图符号如下图所示：

要理解二极管的单向导电特性，首先了解组成二极管的半导体材料：硅与锗。
物质是由原子组成的，而原子由原子核与电子组成，原子核带正电，电子带负电，在正常情况下，原子核与电子的带电数是一样的，由于正负抵消，整个原子呈现电中性，即对外不显电性。
通常电子以原子核为中心运动，这与太阳系中的行星绕着太阳公转一样，如下图所示：

我们也常用下图描述电子与原子核之间的关系：

原子核外围的电子排列是有一定的规律，我们以下面这种方式来表达。

虽然看不懂你在说什么，但好像很厉害的样子，好在我们只需要了解最外层电子数，如上图所示，最外层电子数为3
材料的稳定性由最外层电子数决定，一般最外层电子数少于4时为金属性，大于4时为非金属性，最外层电子数为8时最稳定，而当最外层电子数为4时，这种材料即容易失去电子，又容易得到电子。
我们的故事就是从最外层电子数为4的材料开始的，它们通常是硅（Si）或锗（Ge），它们的原子结构如下所示：

下面我们以硅材料为例进行讲解。
当一大堆的硅元素在一起生活时，由于每个硅元素的最外层电子数都是4，这种状态是很不稳定的，大家虽然财力是一样的，你不喜欢我，我也不是很瞧得起你，但既然要长久地生活在同一片天空，还是要忍辱负重形成一种相对稳定的状态。前面我们提到最外层电子数为8是比较稳定的，于是它们商量了一下，与周围的每个人共用一个电子，这样每个硅元素的最外层电子数都最是8，达到了相对比较稳定的状态，如下图所示：

其中，被两方共用的电子称为价电子，而那一对电子形成共价键连接相邻的两个原子。
如果不出意外的话，这些生活在一起的硅元素必将和平共处相安无事，直到世界的尽头，但是理想很丰满，现实是骨感的，这种共价键的连接方式不是很稳定，它对温度与光线很敏感！
如下图所示，当受到温度或光线的挑拨离间时，硅元素之间的共价电子会获得足够的能量从共价键中跳出来，我们将跳出来的电子称为自由电子，而将该电子原来的位置称为空穴（也就是座位了）

这些跳出的电子一旦多了起来，相应的空穴也会多起来，在外加电场或其它能源的作用下，邻近价电子就可以填补到这个空位上，而在这个价电子原来的位置上就留下新的空位，以后其它电子又可转移到这个新空位上，这样就使共价键中出现一定的电荷，如下图所示：

你可以认为是自由电子移动到了A位置，也可以认为是空穴从A位置的移动到了B位置，这种运动是相对的。
我们把由单一类型半导体元素的材料称为本征半导体，它是不含任何其它元素的结构完整的半导体晶体。当由于热与光的因素，使价电子获得足够能量挣脱共价键的束缚而跳出成为自由电子时，我们称这种现象为本征激发，同时将自由电子与空穴称为载流子。
本征半导体中的载流子越多，则导电性能越好，因此当温度越高时，更多的价电子会变成自由电子，相应的会有更多的空穴（它们之间也可能会不断地复合），这样载流子就更多了，自然导电性能越好。
很明显，本征半导体中的自由电子和空穴数量总是相等的，因为空穴的出现是因为电子的离开，就像一个人对应一个座位，没有任何其它多余的电子出现，也没有多余的空穴出现，成双成对…
生活很惬意！
有一天，一个叫做硼元素的穷外乡人进入了这个村庄，它的最外层电子数为3，加入到这个硅元素团体后，觉得硅元素的这种共价键生活方式不错，也与它们商量也一下，与四周的邻居共用4个电子，这样形成了最外层电子数为7，虽然因为少了一个电子而多出了一个空穴，但这里的硅元素都很好相处，少了就少了嘛，当村里其它硅元素共价键因为温度或光线的因素跳出自由电子时，这个自由电子就补住这个硼元素的这个空穴，这样硼元素因为多了一个电子而成为不能移动的负离子，而之前的硅元素因为失去一下电子而成为空穴。

后来，越来越多的硼元素加入到这个村庄，每个加入的硼元素都因为同样的原因多出一个空穴，同样硼元素会因为得到电子变成负离子，这样空穴就会越来越多。
我们把在硅本征半导体中掺入的硼元素称为杂质，掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体，杂质半导体分为P型半导体与N型半导体，而这个空穴占多数载流子的杂质半导体称为P型半导体（空穴带正电，Positive），如下图所示：

此时少数载流子电子也是有的，只不过相对载流子空穴占少数而已，日子就这么一天天过下去了…
有个叫磷元素的富户人家，它的最外层电子数为5，路过这个村一瞧，你丫的，全都是穷人，空穴满天飞，于是拔腿就跑到了邻近的硅元素村庄，只嫌没多长条腿，要是遇到打劫那还了得，这么多现金在身上真不方便。
这个邻村还没有来过外乡人，村里人虽然都不富有，但也很殷实，于是富人决定留下了，村里人对它也很客气，与它分享共用电子的生活方式，磷元素觉得不错呀，于是也与周围硅元素邻居共用了4个电子，形成了最外层电子数为8的相对稳定结构，但这样一来，自己就多出来了一个电子，富人琢磨了一晚上就决定不管了，谁想要谁要去，希望可以拉动本村的经济，富人因为失去一个电子而成为不能移动的正离子。

正所谓物以类聚，人以群分，越来越多的磷元素加入了这个富村，每个加入的磷元素都会因为感恩而留出一个电子，这样电子就会越来越多。
我们把电子占多数载流子的杂质半导体材料称为N型半导体（电子带负电，Negative），如下所示：

此时空穴载流子也是有的，只不过相对电子载流子占少数而已，日子也就这么一天天过下去了…
P型半导体穷村的村长一看N型半导体富村的发展情况，心里不平衡了，于是找富村村长商量一下，可否把我们村的经济情况带动一下，都是一个乡的，差距太大传出去不好。富村村长稍一思量就答应了，同时跟村里人传达了一下，两村合并如下图所示：

刚刚合并的时候，N型半导体的电子载流子浓度很高，所以很多电子都往P型半导体那边跑，并与其中的空穴复合。
这个合并的过程也可以认为是P型的空穴向N型扩散，因为电子的移动方向总是与空穴的移动方向相反的，总之是多数载流子向少数载流子区前进，如下图所示：

我们把因浓度差而引起载流子由高浓度区域向低浓度区域的转移，称为扩散。
理论上讲，两个半导体合并之后，P型半导体中的多数载流子空穴与N型的多数载流子电子会全部复合，但合并开始后，每次电子与空穴的复合，都会相应产生正离子与负离子，它们将产生内部电场力阻碍由于浓度差而带来的扩散。这个电场力会把P型半导体中的少数载流子电子往N型半导体中转移，同时把N型导体中的少数载流子空穴往P型半导体中转移。

我们把电场的吸引或排斥作用引起的载流子移动叫做漂移。
很明显，对于两个材料的合并来说，扩散作用力是起正作用的，而漂移作用是起阻止作用的，这两个作用力是同时开始的。
刚开始的时候，扩散作用力比漂移作用力大，因此中间有一大片的电子与空穴都复合在一起，最后只留下不能移动的正离子与负离子，但是随着复合的空穴电子越多，留下的正离子与负离子也越来越多，形成的内电场越来越大，最后与扩散能力达到平衡，如下图所示：

N型富村村长一看阻碍力（漂移作用）有点大，与P型穷村村长合计了一下，就先这样吧，不要再继续了，先看看效果如何。
我们把P型半导体与N型半导体合并后形成的正负电荷区称为PN结（也叫耗尽层），从P型半导体（P区）引出的电极称为A极（anode，阳极），而从N型半导体（N区）引出的电极称为K极（kathode/cathode，阴极），这样就形成了一个二极管了。
下面我们来看看这个二极管的特性
如下图所示，P区接电压正极，N区接电压负极（称为电压正向偏置）

我们从小到大调整外加电压V来对二极管进行测试。
当外加电压V比较小时，由于PN结内电场的存在阻碍外电场的作用，此时二极管呈现出一个大电阻，正向电流几乎为零，好像有一个门坎，我们把这个门坎电压称为死区电压VTH，硅管的VTH约为0.5V，锗管的VTH约为0.1V 。
虽然二极管还没有导通，但是由于外电场的作用，P区的多数载流子空穴与N区的多数载流子电子都向PN结移动，并与PN结中的正负离子相互中和，使PN结的电荷区变窄。
当外加电压V大于死区电压VTH时，二极管因内电场削弱而开始导通，并形成了正向电流IF（Forward current），同时在二极管两端会有一定的正向压降VF（Forward voltage），硅管的VF约为0.7V，锗管的VF约为0.3V
如果外加电压V持续增加，则正向电流也相应会增加，取决于外部限流电阻，这个IF有最大值，超过后二极管会损坏
其V-I曲线如下图所示：

如下图所示，将P区接外电压V的负极，N区接外电压V的正极（称为反向偏置电压）

此时外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，使PN结加宽，从而更进一步阻碍电子扩散，呈现出一个大电阻，由于此时的电阻不是无穷大，因此会形成微弱的反向电流IR（Reverse current），其值越小越好
当反向电压增加到某一时刻时，压在蜗牛上的最后一根稻草来了，外加电压突破了内电场，此时反向电流将急剧增加，我们称这个电压为二极管的反向击穿电压VBR（Breakdown voltage）
其V-I曲线如下图所示：

可以看到，PN结外加正向电压时，电阻值很小，PN结导通；施加反向电压时，电阻值很大，PN结截止，这就是它的单向导电性。
下图为二极管单向导电性的典型应用，由4个二极管组成的桥式整流电路，将输入的220V交流电压整流成脉冲直流电压VP 。当交流电压的正半周到来时，由于二极管的单向导电性，D1与D3截止，D2与D4导通，从而输出直流脉冲电压VP将负载电灯泡点亮。

当交流电压的负半周到来时，D2与D4截止，D1与D3导通，输出直流脉冲电压VP同样可以将负载电灯泡点亮

【二极管的使用方法二极管的原理及应用】其输入输出波形如下所示，实际应用中，由于电容C1（一般容量很大）的存在，脉冲直流电压的波动会小一些。

二极管的使用方法 二极管的原理及应用

二极管的使用方法二极管的原理及应用