二极管及其应用

1、半导体基础知识

（1）纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体，常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），它们均为四价元素，在形成晶体结构的半导体中，人为的掺入特定的杂质元素时，导线性能具有可控性，并且在光照和热辐射条件下，其导电性具有明显的变化。

（2）本征半导体中具有两种载流子，一个是空穴（原子由于失去一个电子形成的空穴，此时原子带正电荷），另一个是自由电子，自由电子和空军均参与导电，这是半导体导电的特殊性质。

（3）本征半导体中的自由电子和空穴是成对出现的，这样，在本征半导体两端外加一个电场，则自由电子产生定向移动，从而形成电子电流（注：电流的形成是电荷的定向移动），另一方面由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，即空穴也产生定向移动，形成空穴电流。

2、P型半导体

在纯净的硅当中掺入三价元素（比如硼），使之取代硅原子的位置，就形成了P型半导体，此时的原子外部有三个价电子，除了与周围的硅原子形成共价键外，还多余了一个空穴。P型半导体中，由于电子浓度低于空穴浓度，故空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。

3、N型半导体

在纯净的硅当中掺入五价元素（比如磷），使之取代硅原子的位置，就形成了N型半导体，此时的原子外部有五个价电子，除了与周围的硅原子形成共价键外，还多余了一个电子。此时，在常温下，由于热激发，就可以使他们成为自由电子，N型半导体中，由于空穴浓度低于电子浓度，故自由电子成为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

4、PN结

（1）由于采用了不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界处就形成了PN结，PN结一个重要的性质就是具有单向导电性。

（2）由于物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方移动，这种运动称为扩散运动，当将P型半导体和N型半导体制作在一起时，在两者交界处，由于两种载流子浓度差很大，故P区的空穴会向N区扩散，N区的电子也会向P区扩散，如图1所示。

（3）随着扩散到P区的自由电子和空穴复合，N区的空穴和自由电子复合，所以在交界处的多子浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，这个区域成为空间电荷区（也称为耗尽层），如图2所示。

（4）当PN结外加正向电压时，称为正向偏置（正偏），此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，使扩散运动加剧，从而形成正向电流，PN结导通，由于PN结导通时结压降只有零点几伏，因而设计的时候需要在回路中串联一个电阻，防止PN结因正向电流过大而损坏。如图3所示。

（5）当PN结外加反向电压时，称为反向偏置（反偏），此时外电场将空间电荷区变宽，加强了内电场，使扩散运动削弱，从而形成反向电流，由于反向电流很小，故可以近似认为PN结截止，如图4所示。

5、半导体二极管

（1）将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，由P区引出的电极为阳极，N区引出的电极为阴极。二极管的符号如下图所示。

（2）半导体二极管主要有点接触和面接触两种，其中点接触二极管适用于高频电路和小功率整流，面接触型二极管则仅能用于较低频率下工作，一般仅作为整流管。

（3）伏安特性

（4）二极管在电路中的作用有：整流，稳压，照明，温度控制，光线检测等。其中常见二极管的符号如下图所示。

6、例题分析

已知发光二极管的导通电压为1.6V，正向电流为5~20mA时二极管才能发光。问：开关置于何种位置时二极管可能发光，为了使二极管发光，电路R的取值范围应为多少。