电子基础 - 二极管

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在了解了各种元件之后，让我们关注电子领域中另一个重要的元件，即二极管。半导体二极管是一种具有PN结的双端电子元件。它也被称为整流器。

二极管的阳极是正极，用A表示；阴极是负极，用K表示。要识别实际二极管的阳极和阴极，可以在二极管上看到一条细线，表示阴极，另一端表示阳极。

我们已经讨论了P型和N型半导体及其载流子的行为，现在让我们尝试将这些材料连接在一起，看看会发生什么。

二极管的形成

如果将P型和N型材料靠近放置，它们就会形成一个结，如下图所示。

P型材料的空穴是多数载流子，N型材料的电子是多数载流子。由于异性电荷相吸，P型材料中的一些空穴会倾向于移动到N侧，而N型材料中的一些电子会倾向于移动到P侧。

当它们都向结移动时，空穴和电子相互复合，形成离子。现在，在这个结处存在一个区域，那里形成了正离子和负离子，称为PN结或结势垒，如下图所示。

P侧形成负离子，N侧形成正离子，导致在PN结两侧形成一个狭窄的带电区域。这个区域现在没有可移动的载流子。这里存在的离子是静止的，并在它们之间保持一个没有载流子的空间区域。

由于这个区域充当P型和N型材料之间的屏障，因此也被称为势垒结。它还有另一个名称，称为耗尽区，意思是它耗尽了这两个区域。由于离子的形成，在结两侧会产生一个电势差VD，称为势垒电势，因为它阻止了空穴和电子进一步穿过结。

二极管的偏置

当二极管或任何双端元件连接到电路中时，它在给定的电源下具有两种偏置状态。它们是正向偏置状态和反向偏置状态。让我们详细了解一下。

正向偏置状态

当二极管连接到电路中时，其阳极连接到电源的正极，阴极连接到电源的负极，则这种连接称为正向偏置状态。这种连接使电路越来越正向偏置，并有助于更多地导通。二极管在正向偏置状态下导通良好。

反向偏置状态

当二极管连接到电路中时，其阳极连接到电源的负极，阴极连接到电源的正极，则这种连接称为反向偏置状态。这种连接使电路越来越反向偏置，并有助于最小化和防止导通。二极管在反向偏置状态下无法导通。

现在让我们尝试了解一下如果二极管分别连接到正向偏置和反向偏置状态下会发生什么。

正向偏置下的工作

当施加外部电压到二极管上，使它抵消势垒电势并允许电流流动时，称为正向偏置。当阳极和阴极分别连接到正极和负极时，P型材料中的空穴和N型材料中的电子会倾向于穿过结，打破势垒。电流会自由流动，几乎消除了势垒。

在正极对空穴和负极对电子的排斥力的作用下，结处发生了复合。电源电压应该足够高，以迫使电子和空穴穿过势垒并越过它，从而提供正向电流。

正向电流是二极管在正向偏置状态下产生的电流，用I_f表示。

反向偏置下的工作

当施加外部电压到二极管上，使它增加势垒电势并限制电流流动时，称为反向偏置。当阳极和阴极分别连接到负极和正极时，电子会被吸引到正极，空穴会被吸引到负极。因此，两者都会远离势垒电势，增加结电阻，并防止任何电子穿过结。

下图对此进行了说明。还绘制了未施加场和施加外部场时的导通曲线。

随着反向偏置的增加，结处只有少数少数载流子可以穿过结。这部分电流通常可以忽略不计。当温度恒定时，反向电流几乎是恒定的。但是，如果反向电压进一步增加，则会达到一个称为反向击穿的点，此时大量电流会流过结。这个大的反向电流会损坏器件。

反向电流是二极管在反向偏置状态下产生的电流，用I_r表示。因此，二极管在反向偏置状态下提供高阻抗路径，不导通，而在正向偏置状态下提供低阻抗路径，导通。因此，我们可以得出结论，二极管是一种单向器件，在正向偏置时导通，在反向偏置时充当绝缘体。这种特性使其能够充当整流器，将交流电转换为直流电。

峰值反向电压

峰值反向电压简称为PIV。它表示反向偏置时施加的最大电压。峰值反向电压可以定义为“二极管在不被损坏的情况下能够承受的最大反向电压”。因此，在反向偏置状态下要考虑这个电压。它表示二极管在反向偏置下可以安全工作的程度。

二极管的用途

二极管用于在一个方向（即正向方向）阻断电流流动，并在另一个方向（即反向方向）阻断电流流动。二极管的这一原理使其能够充当整流器。

对于允许电流在一个方向流动而在另一个方向停止的电路，整流二极管是最佳选择。因此，输出将是直流电，消除了交流电分量。半波和全波整流器等电路是使用二极管制成的，可以在电子电路教程中学习。

二极管也用作开关。它有助于更快地打开和关闭输出，这应该以很快的速度发生。

二极管的伏安特性

PN结二极管的实际电路布置如下图所示。一个电流表串联连接，一个电压表并联连接，而电源通过一个可变电阻控制。

在操作过程中，当二极管处于正向偏置状态时，在某个特定电压下，势垒电势会被消除。这种电压称为截止电压或膝电压。如果正向电压超过限制，则正向电流呈指数上升，如果进一步这样做，则器件会因过热而损坏。

下图显示了二极管在正向和反向偏置状态下的导通状态。

在反向偏置期间，会产生由少数载流子产生的电流，称为“反向电流”。随着反向电压的增加，反向电流也会增加，并在某一点突然击穿，导致结永久损坏。