PN结二极管的工作原理/特性和应用

什么是二极管：

二极管是一种半导体器件，它具有特殊的特性，当电流从一个方向流出时允许电流，如果电流方向相反，则阻塞电流。



这是PN结二极管或通常称为二极管的符号，其中它有两个端子。正极称为阳极，负极称为阴极。

在这里，当二极管的阳极端子连接到电源的正极端子和阴极连接到电源的负极端子时，二极管通过它传导电流。

这种情况被称为二极管的正向偏置，电流自由流过二极管。



当二极管的阳极连接到电源的负极端子，阴极连接到电源的正极端子时。在这种状态下，电流不会流过二极管。这被称为二极管的反向偏置，在这种状态下，二极管表现出无限的电阻，阻止电流流过它。

尽管在实际生活中，流过二极管的电流会非常少，并且它被定义为泄漏电流，通常被认为是可以忽略不计的。

PN结二极管是迄今为止在电子电路中使用的最常见的二极管类型。然而，市场上还有其他二极管变体，它们具有与PN结二极管不同的特性。

二极管的工作原理：

PN结二极管是由N型半导体和P型半导体以及连接到P型和N型半导体材料的端子组合而成的。

二极管的结构构成了晶体管的基础，并且这两个组件的工作原理保持不变。阳极端子连接到P型材料上，阴极端子连接到N型材料上。

对于那些在半导体中接触过一点点的人来说，P型半导体有空穴作为多数载流子，电子作为少数载流子。另一方面，N型半导体通常意味着它以电子为多数载流子，空穴为少数载流子。



对于PN结二极管，P型和N型半导体组合在一起。这两种材料结合的点称为结。来自N型材料的电子和靠近结的P型材料的空穴会因为相反的电荷而相互吸引。

因此，来自P型材料的空穴扩散到N型材料中，来自N型区域的电子移动到P型区域，在结周围形成一个区域。扩散继续，直到扩散到N型区域的空穴开始反对从P型区域进一步扩散。

同样的情况发生在P型区域，其中扩散电子反对电子从N型区域的进一步运动。 结/耗尽区域中的电子和空穴充当进一步离子运动的屏障。

这也表明该区域的自由移动空穴和电子已经耗尽。这导致了耗尽区域的名称。如您所见，这个耗尽区域具有彼此接近的正电荷和负电荷。

这为整个耗尽区域的硅二极管产生了约0.7v的电位。如果是锗二极管，则为0.3v。 反向偏置：



那么，是什么让这个耗尽区在反向偏置时阻塞电流呢？当二极管反向偏置时，P型材料将连接到电源的负极端子和N型区域到正极端子。

结果，负极端子吸引靠近它的P型区域的所有正离子，正极端子在靠近它的N型区域吸引更多的负离子。这导致结点中现有耗尽层/屏障的进一步增长，从而完全阻止电流流动。

当反向电压的增加会导致势垒破坏电流时，会对二极管造成不可逆转的损坏。

因此，通过这种方法，二极管结构仅为正向偏置条件下的电流铺平了道路。

正向偏置：



另一方面，当二极管正向偏置时，电源的正端连接到P型材料，负端连接到N型材料。因此，当施加电压时，电子通常从负极端子移动到正极端子。

同样的事情在这里发生，正端吸引来自耗尽区域的电子和N型材料朝向它。当施加的偏置电压超过0.7v的势垒电位时（如果是硅二极管），就会发生这种情况。

结果，耗尽层收缩并消失，允许电流在没有任何阻力的情况过结。

如上所述，偏置电压必须超过耗尽区的势垒电位（硅二极管为0.7v，锗二极管为0.3v），电流才能通过。

这被称为二极管的正向电压。有时也称为二极管的压降，因为二极管两端的9v正向偏置在其输出压降8.3v时为0.7v。

二极管的VI特性：

了解电压和电流在二极管中的作用方式非常重要。下图说明了二极管中电压和电流之间的关系。图表右侧显示了正向偏置条件（阳极端子施加的正电压高于阴极端子）。而在反向偏置中，与阳极相比，阴极的这种条件更积极。



在零电压下观察到的正向偏置时，零电流将流过二极管。

随着电压的持续升高，电流没有真正的升高。但是一旦施加的电压达到0.7v标记（对于硅二极管），电流就会急剧增加，达到二极管允许安全通过它的最大值。

该电压称为二极管的正向电压或VF。对于锗二极管，该正向电压将为0.3v。此外，这种正向电压可以从一种类型或材料的二极管到另一种二极管而变化。

二极管的这一特性将导致输入电压的压降等同于该正向电压值。假设一个二极管正向偏置，在硅二极管上施加5v，二极管阴极端子的合成电压将为4.3（0.7v正向电压）。

当二极管反向偏置时，没有电流流过它，直到反向电压保持零。

当反向电压增加时，称为反向漏电流的非常小的电流开始流过二极管。该电流通常在0.000000001A或1nA的范围内，电流在电路中没有显着影响，因此被认为是微不足道的。

这就是二极管声称在反向偏置条件下完全阻断电流的原因。 在进一步增加反向电压的某一点之后，电流开始快速流过二极管。

此时，二极管将像短路一样，允许电流不受任何限制地流过它。电流在反向偏置状态下不受任何限制地流过二极管的电压称为反向击穿电压。

在大多数二极管中，超过反向击穿电压将导致二极管过热和失效。因此，应始终以反向偏置电压不超过反向击穿电压的方式进行设计。
  




审核编辑：刘清