二極管（1）定義和原理

1、二極管的定義

二極管是一種具有兩端（陽(yáng)極和陰極）的電子元件，它允許電流在一個(gè)方向上流動(dòng)，而在另一個(gè)方向上阻止電流流動(dòng)。這種特性使二極管在電路中起到整流、保護(hù)、開關(guān)等作用。

二極管（英語(yǔ)：diode）又稱二極體，是一種具有不對(duì)稱電導(dǎo)的兩個(gè)端子（陰陽(yáng)二極接線端，故名“二極”）的電子器件；此二極使其原則上僅允許電流作單方向傳導(dǎo)，它在一個(gè)方向?yàn)榈碗娮瑁ɡ硐肭闆r下是零），高電流，而在另一個(gè)方向?yàn)楦唠娮琛?/span>現(xiàn)今，二極用半導(dǎo)材料。 借由二極管的特性，在電力工程上常用作整流器（將交流電變成直流電）；在電子工程上常用作檢波器（從調(diào)幅波檢回音波）；在計(jì)算機(jī)硬件邏輯設(shè)計(jì)上常用作邏輯電路的邏輯閘。

1874年，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·布勞恩在卡爾斯魯厄理工學(xué)院發(fā)現(xiàn)了晶體的整流能力。因此1906年開發(fā)出的第一代二極管——“貓須二極管”是由方鉛礦等礦物晶體制成的。早期的二極管還包含了真空管，真空管二極管具有兩個(gè)電極 ，一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)熱式陰極，借由電極之間加上的電壓能夠讓熱電子從陰極到達(dá)陽(yáng)極，因而有整流的作用。 在半導(dǎo)體性能被發(fā)現(xiàn)后，半導(dǎo)體二極管成為了世界上第一種半導(dǎo)體器件。現(xiàn)如今的二極管大多是使用硅來(lái)生產(chǎn)，鍺等其它半導(dǎo)體材料有時(shí)也會(huì)用到。目前最常見的結(jié)構(gòu)是，一個(gè)半導(dǎo)體性能的結(jié)芯片通過(guò)PN結(jié)連接到兩個(gè)電終端。

2、什么是PN結(jié)

本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體，如高純度的硅，雖然在理論上非常重要，但由于其自由電子和空穴的濃度都非常低（約為101? cm?3），其導(dǎo)電性能確實(shí)較差，體電阻率約為10?Ω·cm。這使得它在實(shí)際應(yīng)用中不太實(shí)用，除非通過(guò)一定的方法來(lái)提高其導(dǎo)電性能。

雜質(zhì)半導(dǎo)體的摻雜

通過(guò)摻雜，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能可以大幅提升。摻雜分為兩種主要類型：

1. N型半導(dǎo)體（負(fù)性半導(dǎo)體）：

• 摻入5價(jià)雜質(zhì)元素：如磷（P）、砷（As）。

• 這些雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵，多余的電子成為自由電子，從而增加了導(dǎo)電性。

• 多數(shù)載流子是自由電子，少數(shù)載流子是空穴。

• P型半導(dǎo)體（正性半導(dǎo)體）：

• 摻入3價(jià)雜質(zhì)元素：如硼（B）、鎵（Ga）。

• 這些雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵，缺少的電子形成空穴，從而增加了導(dǎo)電性。

• 多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子。




3、二極管的工作原理

二極管主要是由半導(dǎo)體材料（通常是硅或鍺）制成的，具有一個(gè)PN結(jié)（由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接合而成）。

其工作原理可以從以下兩個(gè)方面來(lái)理解：

1. 正向偏置：

• 當(dāng)二極管的陽(yáng)極（P區(qū)）接正電壓、陰極（N區(qū)）接負(fù)電壓時(shí)，稱為正向偏置。

• 此時(shí)，PN結(jié)的勢(shì)壘電壓降低，允許載流子（電子和空穴）跨越結(jié)區(qū)，導(dǎo)致電流流過(guò)二極管。

• 正向電壓越高，通過(guò)二極管的電流越大。

  
  

• 反向偏置：

• 當(dāng)二極管的陽(yáng)極（P區(qū)）接負(fù)電壓、陰極（N區(qū)）接正電壓時(shí)，稱為反向偏置。

• 此時(shí)，PN結(jié)的勢(shì)壘電壓增加，阻止載流子跨越結(jié)區(qū)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)二極管（僅有極小的反向飽和電流）。

• 反向電壓增加到一定程度（超過(guò)擊穿電壓）會(huì)導(dǎo)致二極管擊穿，此時(shí)電流急劇增加，但這種狀態(tài)通常會(huì)損壞二極管。

  
  




二極管具有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子，電流只能往單一方向流動(dòng)。也就是說(shuō)，電流可以從陽(yáng)極流向陰極，而不能從陰極流向陽(yáng)極。對(duì)二極管所具備的這種單向特性的應(yīng)用，通常稱之為“整流”功能,可將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)直流電，例如：無(wú)線電接收器對(duì)無(wú)線電信號(hào)的調(diào)制，就是通過(guò)整流來(lái)完成的。因?yàn)槠漤樝蛄魍ǚ聪蜃钄嗟奶攸c(diǎn)，二極管可以想成電子版的逆止閥。然而實(shí)際上，二極管并不會(huì)表現(xiàn)出如此完美的開關(guān)性，而是呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的非線性電子特征——這是由特定類型的二極管技術(shù)決定的。一般來(lái)說(shuō)，只有在正向超過(guò)障壁電壓時(shí)，二極管才會(huì)工作（此狀態(tài)被稱為正向偏置）。






一個(gè)正向偏置的二極管兩端的電壓降變化只與電流有一點(diǎn)關(guān)系，并且是溫度的函數(shù)。因此這一特性可用于溫度傳感器或參考電壓。半導(dǎo)體二極管的非線性電流-電壓特性，可以根據(jù)選擇不同的半導(dǎo)體材料和摻雜不同的雜質(zhì)從而形成雜質(zhì)半導(dǎo)體來(lái)改變。

特性改變后的二極管在使用上除了用做開關(guān)的方式之外，還有很多其他的功能，如：用來(lái)調(diào)節(jié)電壓（齊納二極管），限制高電壓從而保護(hù)電路（雪崩二極管），無(wú)線電調(diào)諧（變?nèi)荻O管），產(chǎn)生射頻振蕩（隧道二極管、耿氏二極管、IMPATT二極管）以及產(chǎn)生光（發(fā)光二極管）。半導(dǎo)體二極管中，有利用P型和N型兩種半導(dǎo)體接合面的PN結(jié)效應(yīng)，也有利用金屬與半導(dǎo)體接合產(chǎn)生的肖特基效應(yīng)達(dá)到整流作用的類型。若是PN結(jié)型的二極管，在P型側(cè)就是陽(yáng)極，N型側(cè)則是陰極。