PN結(jié)二極管的工作原理/特性和應(yīng)用

什么是二極管：

二極管是一種半導(dǎo)體器件，它具有特殊的特性，當(dāng)電流從一個(gè)方向流出時(shí)允許電流，如果電流方向相反，則阻塞電流。



這是PN結(jié)二極管或通常稱為二極管的符號(hào)，其中它有兩個(gè)端子。正極稱為陽(yáng)極，負(fù)極稱為陰極。

在這里，當(dāng)二極管的陽(yáng)極端子連接到電源的正極端子和陰極連接到電源的負(fù)極端子時(shí)，二極管通過(guò)它傳導(dǎo)電流。

這種情況被稱為二極管的正向偏置，電流自由流過(guò)二極管。



當(dāng)二極管的陽(yáng)極連接到電源的負(fù)極端子，陰極連接到電源的正極端子時(shí)。在這種狀態(tài)下，電流不會(huì)流過(guò)二極管。這被稱為二極管的反向偏置，在這種狀態(tài)下，二極管表現(xiàn)出無(wú)限的電阻，阻止電流流過(guò)它。

盡管在實(shí)際生活中，流過(guò)二極管的電流會(huì)非常少，并且它被定義為泄漏電流，通常被認(rèn)為是可以忽略不計(jì)的。

PN結(jié)二極管是迄今為止在電子電路中使用的最常見(jiàn)的二極管類型。然而，市場(chǎng)上還有其他二極管變體，它們具有與PN結(jié)二極管不同的特性。

二極管的工作原理：

PN結(jié)二極管是由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體以及連接到P型和N型半導(dǎo)體材料的端子組合而成的。

二極管的結(jié)構(gòu)構(gòu)成了晶體管的基礎(chǔ)，并且這兩個(gè)組件的工作原理保持不變。陽(yáng)極端子連接到P型材料上，陰極端子連接到N型材料上。

對(duì)于那些在半導(dǎo)體中接觸過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)的人來(lái)說(shuō)，P型半導(dǎo)體有空穴作為多數(shù)載流子，電子作為少數(shù)載流子。另一方面，N型半導(dǎo)體通常意味著它以電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。



對(duì)于PN結(jié)二極管，P型和N型半導(dǎo)體組合在一起。這兩種材料結(jié)合的點(diǎn)稱為結(jié)。來(lái)自N型材料的電子和靠近結(jié)的P型材料的空穴會(huì)因?yàn)橄喾吹碾姾啥嗷ノ?br />
因此，來(lái)自P型材料的空穴擴(kuò)散到N型材料中，來(lái)自N型區(qū)域的電子移動(dòng)到P型區(qū)域，在結(jié)周圍形成一個(gè)區(qū)域。擴(kuò)散繼續(xù)，直到擴(kuò)散到N型區(qū)域的空穴開始反對(duì)從P型區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)散。

同樣的情況發(fā)生在P型區(qū)域，其中擴(kuò)散電子反對(duì)電子從N型區(qū)域的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)。 結(jié)/耗盡區(qū)域中的電子和空穴充當(dāng)進(jìn)一步離子運(yùn)動(dòng)的屏障。

這也表明該區(qū)域的自由移動(dòng)空穴和電子已經(jīng)耗盡。這導(dǎo)致了耗盡區(qū)域的名稱。如您所見(jiàn)，這個(gè)耗盡區(qū)域具有彼此接近的正電荷和負(fù)電荷。

這為整個(gè)耗盡區(qū)域的硅二極管產(chǎn)生了約0.7v的電位。如果是鍺二極管，則為0.3v。 反向偏置：



那么，是什么讓這個(gè)耗盡區(qū)在反向偏置時(shí)阻塞電流呢？當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，P型材料將連接到電源的負(fù)極端子和N型區(qū)域到正極端子。

結(jié)果，負(fù)極端子吸引靠近它的P型區(qū)域的所有正離子，正極端子在靠近它的N型區(qū)域吸引更多的負(fù)離子。這導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)中現(xiàn)有耗盡層/屏障的進(jìn)一步增長(zhǎng)，從而完全阻止電流流動(dòng)。

當(dāng)反向電壓的增加會(huì)導(dǎo)致勢(shì)壘破壞電流時(shí)，會(huì)對(duì)二極管造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

因此，通過(guò)這種方法，二極管結(jié)構(gòu)僅為正向偏置條件下的電流鋪平了道路。

正向偏置：



另一方面，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，電源的正端連接到P型材料，負(fù)端連接到N型材料。因此，當(dāng)施加電壓時(shí)，電子通常從負(fù)極端子移動(dòng)到正極端子。

同樣的事情在這里發(fā)生，正端吸引來(lái)自耗盡區(qū)域的電子和N型材料朝向它。當(dāng)施加的偏置電壓超過(guò)0.7v的勢(shì)壘電位時(shí)（如果是硅二極管），就會(huì)發(fā)生這種情況。

結(jié)果，耗盡層收縮并消失，允許電流在沒(méi)有任何阻力的情況過(guò)結(jié)。

如上所述，偏置電壓必須超過(guò)耗盡區(qū)的勢(shì)壘電位（硅二極管為0.7v，鍺二極管為0.3v），電流才能通過(guò)。

這被稱為二極管的正向電壓。有時(shí)也稱為二極管的壓降，因?yàn)槎O管兩端的9v正向偏置在其輸出壓降8.3v時(shí)為0.7v。

二極管的VI特性：

了解電壓和電流在二極管中的作用方式非常重要。下圖說(shuō)明了二極管中電壓和電流之間的關(guān)系。圖表右側(cè)顯示了正向偏置條件（陽(yáng)極端子施加的正電壓高于陰極端子）。而在反向偏置中，與陽(yáng)極相比，陰極的這種條件更積極。



在零電壓下觀察到的正向偏置時(shí)，零電流將流過(guò)二極管。

隨著電壓的持續(xù)升高，電流沒(méi)有真正的升高。但是一旦施加的電壓達(dá)到0.7v標(biāo)記（對(duì)于硅二極管），電流就會(huì)急劇增加，達(dá)到二極管允許安全通過(guò)它的最大值。

該電壓稱為二極管的正向電壓或VF。對(duì)于鍺二極管，該正向電壓將為0.3v。此外，這種正向電壓可以從一種類型或材料的二極管到另一種二極管而變化。

二極管的這一特性將導(dǎo)致輸入電壓的壓降等同于該正向電壓值。假設(shè)一個(gè)二極管正向偏置，在硅二極管上施加5v，二極管陰極端子的合成電壓將為4.3（0.7v正向電壓）。

當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)它，直到反向電壓保持零。

當(dāng)反向電壓增加時(shí)，稱為反向漏電流的非常小的電流開始流過(guò)二極管。該電流通常在0.000000001A或1nA的范圍內(nèi)，電流在電路中沒(méi)有顯著影響，因此被認(rèn)為是微不足道的。

這就是二極管聲稱在反向偏置條件下完全阻斷電流的原因。 在進(jìn)一步增加反向電壓的某一點(diǎn)之后，電流開始快速流過(guò)二極管。

此時(shí)，二極管將像短路一樣，允許電流不受任何限制地流過(guò)它。電流在反向偏置狀態(tài)下不受任何限制地流過(guò)二極管的電壓稱為反向擊穿電壓。

在大多數(shù)二極管中，超過(guò)反向擊穿電壓將導(dǎo)致二極管過(guò)熱和失效。因此，應(yīng)始終以反向偏置電壓不超過(guò)反向擊穿電壓的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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審核編輯：劉清