二極管工作原理

　　那是1947年的一個(gè)冬天，貝爾實(shí)驗室的三位科學(xué)家發(fā)明了三極管，改變了世界，推動(dòng)了全球的半導體電子工業(yè)。于是10年后又一個(gè)冬天，哥仨一起獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。然而這三極管可不是被憑空發(fā)明出來(lái)的，從結構上看，她是由兩個(gè)二極管組成，絕逼二極管“干兒子”。今天電子產(chǎn)品世界小編為您帶來(lái) “干爹”二極管的傳奇故事。

　1 二極管工作原理：二極管=PN結+馬甲兒

　　在半導體性能被發(fā)現后，二極管成為了世界上第一種半導體器件，目前最常見(jiàn)的結構是，在PN結上加上引線(xiàn)和封裝，就成為一個(gè)二極管，甚至可以說(shuō)二極管實(shí)際上就是由一個(gè)PN結構成的，因此二極管工作原理約等于PN的工作原理，小編從源頭講講二極管(PN結)到底是怎么來(lái)的?

　　1.1 二極管工作原理：二極管PN節的好哥倆：P型半導體、N型半導體

　　我們一般根據導電能力(電阻率)的不同將物體來(lái)劃分導體、絕緣體和半導體。更通俗地講，完全純凈的、不含雜質(zhì)的半導體稱(chēng)為本征半導體。主要常見(jiàn)代表有硅、鍺這兩種元素的單晶體結構。但實(shí)際半導體不能絕對的純凈，這類(lèi)半導體稱(chēng)為雜質(zhì)半導體。

　　P型半導體

　　如果我們在純硅中摻入少許的硼(最外層有3個(gè)電子)，就反而少了1個(gè)電子，而形成一個(gè)空穴，這樣就形成P型半導體(少了1個(gè)帶負電荷的原子，可視為多了1個(gè)正電荷)。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

　　圖1.P型半導體的共價(jià)結構

　　在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成;自由電子是少數載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。

　　N型半導體

　　如果在純硅中摻雜少許的砷或磷(最外層有5個(gè)電子)，就會(huì )多出1個(gè)自由電子，這樣就形成N型半導體，因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子，如圖1所示。

　　圖2. N型半導體的共價(jià)結構

　　在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。

　　1.2 PN結=P∩N(注：“∩”交集)

　　在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體另一邊形成P型半導體后，兩種半導體的交界面附近的區域為PN結，如圖3所示。在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。

　　圖3.PN結原理圖

　　PN結的每端都帶電子，這樣排列使電流只能從一個(gè)方向流動(dòng)。當沒(méi)有電壓通過(guò)二極管時(shí)，電子就沿著(zhù)過(guò)渡層之間的匯合處從N型半導體流向P型半導體，從而形成一個(gè)耗盡區。在損耗區中，半導體物質(zhì)會(huì )回復到它原來(lái)的絕緣狀態(tài)--所有的這些“電子空穴”都會(huì )被填滿(mǎn)，所以就沒(méi)有自由電子，也就沒(méi)有電流流動(dòng)。

　2 二極管工作原理：二極管PN節的單向導電特性---最最最最最重要!

　　2.1二極管小實(shí)驗

　　在電子電路中，將二極管的正極(P區)接在高電位端，負極(N區)接在低電位端，二極管就會(huì )導通，這種連接方式稱(chēng)為正向偏置。必須說(shuō)明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)，二極管仍然不能導通，流過(guò)二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值(這一數值稱(chēng)為“門(mén)檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V)以后，二極管才能直正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變(鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V)，稱(chēng)為二極管的“正向壓降”。

　　將二極管的正極(P區)接在低電位端，負極(N區)接在高電位端，此時(shí)二極管中幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，此時(shí)二極管處于截止狀態(tài)，這種連接方式，稱(chēng)為反向偏置。二極管處于反向偏置時(shí)，仍然會(huì )有微弱的反向電流流過(guò)二極管，稱(chēng)為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會(huì )急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，此時(shí)二極管被擊穿,這就是二極管的反向擊穿特性，將在下一節介紹。

　　2.2 二極管上升到理論

　　為了除掉耗盡區，就必須使N型向P型移動(dòng)和空穴應反向移動(dòng)。為了達到目的，將PN結N極連接到電源負極，P極連接到正極。這時(shí)在N型半導體的自由電子會(huì )被負極電子排斥并吸引到正極電子，在P型半導體的電子空穴就移向另一方向。當電壓在電子之間足夠高的時(shí)候，在耗盡區的電子將會(huì )在它的電子空穴中和再次開(kāi)始自由移動(dòng)，耗盡區消失，電流流通過(guò)二極管，如圖4所示。

　　圖4. PN結加正向電壓時(shí)的導電情況

　　若P極接到電源負極，N型接到正極。這時(shí)電流將不會(huì )流動(dòng)。N型半導體的負極電子被吸引到正極電子。P型半導體的正極電子空穴被吸引到負極電子。因為電子空穴和電子都向錯誤的方向移動(dòng)，所以就沒(méi)有電流流通過(guò)匯合處，耗盡區增加，如圖5所示。

　　圖5. PN結加反向電壓時(shí)的導電情況

　　PN結V-I 特性表達式(伏安特性曲線(xiàn)如圖6所示)

　　其中，IS ——反向飽和電流;

　　 VT ——溫度的電壓當量;

　　且在常溫下(T=300K)時(shí)，

　　圖6. PN結的伏安特性曲線(xiàn)

　　2.3總結

　　PN結加正向電壓時(shí)，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流;

　　PN結加反向電壓時(shí)，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。

　　PN結具有單向導電性。

　3 二極管工作原理：二極管PN節的反向擊穿—大大的有用!

　　當PN結的反向電壓增加到一定數值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現象稱(chēng)為PN結的反向擊穿。發(fā)生反向擊穿時(shí)，在反向電流很大的變化范圍內，PN結兩端電壓幾乎不變，如圖7所示。反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，PN結熱擊穿后電流很大，電壓又很高，消耗在結上的功率很大，容易使PN結發(fā)熱，把PN結燒毀。熱擊穿是不可逆的。PN結電擊穿從其產(chǎn)生原因又可分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類(lèi)型。

　　圖7.PN結的反向擊穿

　　雪崩擊穿

　　當PN結反向電壓增加時(shí)，空間電荷區中的電場(chǎng)隨著(zhù)增強。通過(guò)空間電荷區的電子和空穴，在電場(chǎng)作用下獲得的能量增大，在晶體中運動(dòng)的電子和空穴，將不斷地與晶體原子發(fā)生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時(shí)，通過(guò)這樣的碰撞，可使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子—空穴對，這種現象稱(chēng)為碰撞電離。新產(chǎn)生的電子和空穴與原有的電子和空穴一樣，在電場(chǎng)作用下，也向相反的方向運動(dòng)，重新獲得能量，又可通過(guò)碰撞，再產(chǎn)生電子—空穴對，這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增大，于是PN結就發(fā)生雪崩擊穿。

　　雪崩擊穿多發(fā)生在雜質(zhì)濃度較低的二極管，一般需要比較高的電壓(>6V)，擊穿電壓與濃度成反比。

　　齊納擊穿

　　在加有較高的反向電壓下，PN結空間電荷區中存在一個(gè)強電場(chǎng)，它能夠破壞共價(jià)鍵將束縛電子分離出來(lái)造成電子—空穴對，形成較大的反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場(chǎng)強度約為2*105V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結中才能達到，因為雜質(zhì)濃度大，空間電荷區內電荷密度(即雜質(zhì)離子)也大，因而空間電荷區很窄，電場(chǎng)強度就可能很高。一般整流二極管摻雜濃度沒(méi)有這么高，它在電擊穿中多數是雪崩擊穿造成的。

　　齊納擊穿多數出現在雜質(zhì)濃度較高的二極管，如穩壓管(齊納二極管)。

必須指出，上述兩種電擊穿過(guò)程是可逆的，當加在穩壓管兩端的反向電壓降低后，管子仍可以恢復原來(lái)的狀態(tài)。但它有一個(gè)前提條件，就是反向電流和反向電壓的乘積不超過(guò)PN結容許的耗散功率，超過(guò)了就會(huì )因為熱量散不出去而使PN結溫度上升，直到過(guò)熱而燒毀，這種現象就是熱擊穿。所以熱擊穿和電擊穿的概念是不同的。電擊穿往往可為人們所利用(如穩壓管)，而熱擊穿則是必須盡量避免的。

　　小問(wèn)題

　　1) PN結的反向擊穿電壓是多少?

　　采取適當的摻雜工藝，將硅PN結的雪崩擊穿電壓可控制在8～1000V。而齊納擊穿電壓低于5V。在5～8v之間麗種擊穿可能同時(shí)發(fā)生。

　　2) 二極管三極管和穩壓管是否一樣呢?

　　不一樣,BC結的反向擊穿電壓低的幾十伏,高的數百伏,但有一點(diǎn)是一樣的,就是NPN管的BE結反向擊穿電壓都是6V左右,因此NPN管的BE結可當6V穩壓管用。

　　補充：應該是所有硅材料管(PNP和NPN)的BE結都有反向擊穿電壓都是6V這特性，利用這特性可鑒別管子的C和E腳，用10K檔分別測BC和BE的反向電阻，擊穿的是BE結。

　4 二極管工作原理：二極管PN結的極間電容

　　PN結的P型和N型兩快半導體之間構成一個(gè)電容量很小的電容，叫做“極間電容”(如圖所示)。由于電容抗隨頻率的增高而減小。所以，PN結工作于高頻時(shí)，高頻信號容易被極間電容或反饋而影響PN結的工作。但在直流或低頻下工作時(shí)，極間電容對直流和低頻的阻抗很大，故一般不會(huì )影響PN結的工作性能。PN結的面積越大，極間電容量越大，影響也約大，這就是面接觸型二極管(如整流二極管)和低頻三極管不能用于高頻工作的原因。

　5 二極管工作原理：數字萬(wàn)用表測試二極管好壞

　　二極管比較容易損壞的元件，其燒壞容易造成線(xiàn)路短路或斷路的情況，影響電器正常工作，因此需要掌握測試二極管好壞的方法。

　　關(guān)于如何使用數字萬(wàn)用表，請參考小編的《數字萬(wàn)用表使用方法》，這里主要介紹數字萬(wàn)用表測試二極管好壞。

　　1) 辨別出二極管的正負極，有白線(xiàn)的一端為負極，另一端為正極。

　　2) 將萬(wàn)用表上的旋鈕撥到通斷檔位，并將紅黑表筆插在萬(wàn)用表的正確位置。

　　3) 將紅表筆接二極管正極，黑表筆接負極。然后觀(guān)察讀數，如果滿(mǎn)溢(即顯示為1)，則二極管已壞。若有讀數，則交換表筆，若還有讀數而不滿(mǎn)溢，則二極管壞。

　　4) 如果是發(fā)光二極管，若二極管正常，則可以看到微弱的亮光，長(cháng)腳為正極。

　6 二極管工作原理：二極管的主要參數

　　1) 額定正向工作電流

　　二極管長(cháng)期連續工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向電流值。因為電流通過(guò)管子時(shí)會(huì )使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過(guò)容許限度(硅管為140左右，鍺管為90左右)時(shí)，就會(huì )使管芯過(guò)熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過(guò)二極管額定正向工作電流值。

　　2) 最高反向工作電壓

　　加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時(shí)，會(huì )將管子擊穿，失去單向導電能力。為了保證使用安全，規定了最高反向工作電壓值。

　　3) 反向電流

　　二極管在規定的溫度和最高反向電壓作用下，流過(guò)二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向導電性能越好。值得注意的是反向電流與溫度有著(zhù)密切的關(guān)系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。

　　4) 最高工作頻率fM(MC)

　　二極管能承受的最高頻率。通過(guò)PN結交流電頻率高于此值，二極管接不能正常工作。

　　5) 最高反向工作電壓VRM(V)

　　二極管長(cháng)期正常工作時(shí)，所允許的最高反壓。若越過(guò)此值，PN結就有被擊穿的可能，對于交流電來(lái)說(shuō)，最高反向工作電壓也就是二極管的最高工作電壓。

　　6) 最大整流電流IOM(mA)

　　二極管能長(cháng)期正常工作時(shí)的最大正向電流。因為電流通過(guò)二極管時(shí)就要發(fā)熱，如果正向電流越過(guò)此值，二極管就會(huì )有燒壞的危險。所以用二極管整流時(shí)，流過(guò)二極管的正向電流(既輸出直流)不允許超過(guò)最大整流電流。

    7 二極管工作原理：特殊體二極管

　　1) 穩壓二極管

　　電路符號：與普通二極管的電路符號稍有區別。

　　原理：又叫齊納二極管，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件.在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數值，在這個(gè)低阻區中電流增加而電壓則保持恒定

　　用途：穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。穩壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)串聯(lián)就可獲得更高的穩定電壓。

　　2) 發(fā)光二極管(LED)

       電路符號：在普通二極管電路符號的邊上加兩個(gè)向外發(fā)射的箭頭。 

       原理：利用自由電子和空穴復合時(shí)能產(chǎn)生光的半導體制成，采用不同的材料，可分別得到紅、黃、綠、橙色光和紅外光。常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化鎵、磷化鎵等。制作材料決定光的顏色(光譜的波長(cháng))。

　　特點(diǎn)：通以正向電流發(fā)光，光亮度隨著(zhù)電流的增大而增強，工作電流為幾個(gè)毫安到幾十毫安，典型工作電流為10mA左右。正向導通電壓較大。

　　用途：一般作為電子產(chǎn)品的指示燈

　　3) 光電二極管

　　電路符號：在普通二極管電路符號的邊上加兩個(gè)朝向管子的箭頭。

       原理：普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止狀態(tài)，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時(shí)盡量使PN結的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流;有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱(chēng)為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件

　　特點(diǎn)：無(wú)光照時(shí)與普通二極管一樣具有單向導電性。使用時(shí)，光電二極管的PN結應工作在反向偏置狀態(tài)，在光信號的照射下，反向電流隨光照強度的增加而上升(這時(shí)的反向電流叫光電流)。光電流也與入射光的波長(cháng)有關(guān)。

　　用途：用于測量光照強度、做光電池。

　　4) 變容二極管

　　電路符號：在普通二極管電路符號的邊上加一個(gè)電容符號。

　　原理：當外加順向偏壓時(shí)，有大量電流產(chǎn)生，PN(正負極)結的耗盡區變窄，電容變大，產(chǎn)生擴散電容效應;當外加反向偏壓時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生過(guò)渡電容效應。但因加順向偏壓時(shí)會(huì )有漏電流的產(chǎn)生，所以在應用上均供給反向偏壓。

　　用途：用于電子調諧、調頻、調相和自動(dòng)控制電路等.

　　5) 肖特基二極管

　　電路符號：與普通二極管的電路符號稍有區別。

　　原理：貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)A為正極，以N型半導體B為負極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導體器件。

　　特點(diǎn)：為反向恢復時(shí)間極短(可以小到幾納秒)，正向導通壓降僅0.4V左右。

　　用途：多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續流二極管、保護二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。在通信電源、變頻器等中比較常見(jiàn)。

　　文章至此，二極管的工作原理就介紹完了。小編還介紹了二極管好壞的測量方法，后續還將持續更新，介紹二極管電路基本電路等。如需要了解關(guān)于二極管的其他知識，歡迎在電子產(chǎn)品世界論壇綜合技術(shù)板塊留言(小編是該板版主zhuwei0710)，謝謝O(∩_∩)O!

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