二極管(PN結(jié))的工作原理

0、小敘閑言

前面已經(jīng)寫了兩篇介紹放大器應(yīng)用和MOSFET作驅(qū)動的文章。但是對它們的工作原理并沒有進(jìn)一步研究一下，今天寫下這篇文章，主要是介紹二極管的工作原理，為后面的三極管和MOSFET工作原理的理解打下基礎(chǔ)，然后，應(yīng)該能理解放大器的工作原理，最后也就也能解決上兩篇文章提出的問題了。

1、PN結(jié)形成

P（Positive）型和N（Negative）型可根據(jù)它們的載流子（載流子說得比較學(xué)術(shù)，其實(shí)就是導(dǎo)體里面能流動的帶電粒子，為電子或者是空穴，空穴可以看作是帶正電的電子）來區(qū)分。對半導(dǎo)體材料（一般應(yīng)該是硅Si）參入不同的雜質(zhì)，就可以形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體里面能夠流動的粒子是空穴，N型半導(dǎo)體里面能夠流動的粒子是電子。它們的結(jié)構(gòu)如下圖1所示，對于它們倆如何參雜以形成不同的半導(dǎo)體，我們可沒必要再研究下去，除非你是專門搞半導(dǎo)體材料的。P型半導(dǎo)體中的大紅圓是負(fù)離子，由于材料的性質(zhì)，它是不可移動的，而其中的小綠圓（空穴），是可移動的，這一點(diǎn)很重要，請務(wù)必記住；同理N型半導(dǎo)體，它里面的大綠圓（正離子）不可自由移動，而小紅圓（電子）可自由移動。

圖1 P型和N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

簡單了解了P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之后，我們常說的PN結(jié)是如何形成的呢，且看下方圖2動圖。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接合在一起的時(shí)候，由于P型半導(dǎo)體中空穴濃度高，而N型半導(dǎo)體中電子濃度高，因此會形成一個擴(kuò)散運(yùn)動，P型半導(dǎo)體中空穴會向它濃度低的地方擴(kuò)散，從而擴(kuò)散到N型區(qū)，N型半導(dǎo)體的電子也會向它濃度低的地方擴(kuò)散，從而擴(kuò)散到P型區(qū)。這樣一來，P型區(qū)剩下不能自由移動的負(fù)離子，而N型區(qū)剩下不能自由移動的正離子，一正一負(fù)，在PN結(jié)內(nèi)部形成了一個從左往右的內(nèi)電場，基本上這個內(nèi)電場就體現(xiàn)PN結(jié)的工作特性。另外有一點(diǎn)要說明的是，PN結(jié)只是局部帶電，即P型區(qū)呈負(fù)電，而N型區(qū)呈負(fù)電，但是它們倆一中和，整體上是呈中性的。

圖2 PN結(jié)形成過程

2、PN結(jié)接正向電壓

當(dāng)PN結(jié)接正向電壓時(shí)，即P型區(qū)接電源的正極，N型區(qū)接電源的負(fù)極。這時(shí)外加電源形成的電場就會與內(nèi)電場方向相反，而當(dāng)外電場的強(qiáng)度超過內(nèi)電場的時(shí)候，PN結(jié)就導(dǎo)通了，這時(shí)電子就可以從PN結(jié)通過。如下圖3動圖所示，電路中，在導(dǎo)線上流動的是負(fù)電子，下圖中為了方便起方，用的空穴表示，不會影響分析過程。在外部電場完全抵消內(nèi)部電場之后，空穴就可以暢通無阻地通過PN結(jié)了。

圖3 PN結(jié)接正向電壓工作過程

3、PN結(jié)接反向電壓

當(dāng)PN結(jié)接反向電壓時(shí)，P型區(qū)的空穴會被電子抵消掉，而N型區(qū)電子會流動到電源的正極，這樣一來，會有助于內(nèi)電場強(qiáng)度增強(qiáng)，更不利于電子通過PN結(jié)。內(nèi)電場不停地增強(qiáng)，會超過外部電源形成的電場強(qiáng)度，超過之后，電子就不能夠通過PN結(jié)了。在外部看來，就是反向電阻無窮大了。

圖4 PN結(jié)接反向電壓

心得總結(jié)

PN結(jié)的工作原理比較簡單，但是為了做幾個動圖，花了不少時(shí)間。以前的圖都是用VISIO畫的。因?yàn)楹镁脹]用PPT了，就用PPT畫了文中所有的圖，發(fā)現(xiàn)PPT作圖也很方便，而且漂亮，做動畫的功能也非常強(qiáng)大。

知識能力有限，如果圖中有什么錯誤，還請各位同學(xué)批評指正，如果有更好的見解，也請大牛們不吝賜教。