图文详解二极管原理

图文详解二极管原理

    • 一. 概述
    • 二. PN结
      • 扩散运动和漂移运动
    • 三. 导通和截止

一. 概述

小伙伴们,大家好!昨天和几个朋友一起吃饭,聊天过程中说到了二极管,旁边一妹子突然来了一句,二极管是啥,在做的几位顿时语噻,支支吾吾:灯泡?LED?发光管?反正傻傻说不清楚,其中还有一位是学电子的,说起二极管,大家都想起这个吧。
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发光二极管在我们生活中是比较常见的,比如说:商业的走字灯,交通灯,LED屏幕,LED灯泡等等。二极管是一种用锗或者硅半导体材料做成的,半导体材料导电性能在常温下介于导体和绝缘体之间,一百多年前就有这个东西了,是半导体器件家族中的元老了。
发光二极管只是二极管其中之一,还有许多不同用途的二极管:整流二极管、稳压二极管、光电二极管、开关二极管等。整流二极管在我们生活中比较常见,都用在交流转直流的电路中:手机充电器,电脑充电器,电动车充电器等等。

二. PN结

上面说到的那些二极管它们都有一个共同的性能,单向导电性,就是说电流只能从二极管的阳极进去,负极出去,反过来就不行了。为什么呢?二极管中有个叫PN结的东西,就是它阻止了电流逆流。接下来小马哥就给小伙伴们讲讲PN 结。
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自然界中的物质,按照不同的导电性能分为了导体、半导体和绝缘体,半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有四价硅和锗(zhě)。什么是四价啊,就是最外层有四个电子。纯净的半导体又称为本征半导体,其导电能力较差,不能直接用来制造半导体器件,在本征半导体一边中用扩散工艺掺入三价元素(硼),另一边掺入五价元素(磷),就是把原来少量的硅原子或者锗原子替代了。
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三价元素(硼),最外层只有三个电子,然而硅和锗有外层有四个电子,少了一个怎么办呀?那就形成了空穴,这个就是P型半导体。于是,P型半导体就成为了含空穴浓度较高的半导体。

五价元素(磷)有五个电子,多一个怎么办?多出的一个电子几乎不受束缚,它就自由了,叫它自由电子,这个就是N型半导体。于是,N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体。

扩散运动和漂移运动

P型半导体和N型半导体结合后,P区内空穴和N区内自由电子多称为多子,P区内自由电子和N区内空穴几乎为零称为少子,在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。
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由于P区的空穴浓度比N区高,空穴就往N区扩散,而N区的自由电子浓度比P区高,自由电子往P区扩散,就像一滴墨水滴在清水中,墨水本身浓度高,就往周围扩散,这就是扩散运动,P区的空穴和N区的自由电子就可能相遇,然后复合。什么是复合啊,把空穴比作房子,房子里面要住人啊,这时候自由电子就比作人了,然后他们就结合成一体了。

P区和N区里面的杂质离子不能任意移动,为啥呀?因为杂质离子被周围的硅原子或者锗原子束缚了。在P和N区交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,在这个区域内,多子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗殆尽了。

P区和N区里面的杂质离子相互作用,N区杂质离子带正电荷,P区杂质离子带负电荷,在空间电荷区形成了内电场,扩散运动的进行使空间电荷区变宽,内电场也变强了。
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这个内电场一方面阻止了扩散运动的进行,扩散就不容易进行下去;另一方面使空穴(少子)从N区往P区漂移,自由电子从P区往N区漂移,这个漂移可不是汽车漂移,是受N区高电势,P区低电势的内电场影响产生漂移,叫做少子漂移。

慢慢的空间电荷区就稳定了。总结来说多子运动叫做扩散运动,少子运动就是漂移运动,当两种运动达到动态平衡就产生了PN结。在PN结加上相应的电级引线和管壳,就构成了半导体二极管。由P区引出的电极成为了正极,由N区引出的电极成为了负极。

三. 导通和截止

当PN结加正向导通电压就是把P区引脚加电源正极,N区引脚连接电源负极。电流方向由P区流向N区和PN 结内部的内电场相反,当电压大于内电场电压时,外部的电源抵消了其内电场。

内电场抵消了,有利于扩散运动的进行,空间电荷区慢慢变成了P区和N区,当空间电荷区越来越薄,直到最薄的时候这时候会形成一个扩散电流,这时候二极管也就导通了,这时候的电压称为导通电压。
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反之把P区引脚加电源负极,N区引脚连接电源正极,这时候电流流动的方向和内电场的方向相同,增强了内电场使得空间电荷区变宽,空穴会被拉向P区的方向,电子会被拉向N区的方向,从而阻止了扩散运动,形成了反向漏电流,由于电流非常小,这就是截止状态。

反向电压增大到一定程度时,反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流,则电流会大到将PN结烧毁,这时候的电压成为击穿电压,这时候二极管就没用了。
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二极管加正向偏置电压,死区OA区,由于正向电压比较小,二极管不导通,几乎没有电流,呈高阻状态,此时二极管两端的电压为死区电压,硅二极管为0.5V(锗管为0.1v),当正向电压高于一定的数值后,二极管中的电流随着电压的升高而增大,二极管导通,这时候的电压称为导通电压,也叫门槛电压。

硅管导通电压为0.6V(锗管为0.2v),导通时二极管两端的电压保持不变,硅管0.7V(锗管为0.3v),这时候称为正向压降。

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当电子与空穴复合时能辐射出可见光,PN结掺杂不同的化合物发出的光也不同,比如说镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等。然后加上引脚,用环氧树脂封装起来,通上正向电压发光二极管就这样发光了。

稳压二极管利用了二极管反向击穿的特性,稳压二极管都是串联在电路中,当稳压二极管被击穿,尽管电流在很大的范围内变化,而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压上下。
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在接二极管还要注意正负极,一般看外观来说,长引脚为正极,短引脚为负极,有些二极管的表面会有图形符号用万用表也可以测,把万用表调到二极管档,红黑表笔分别接二极管的两端,若此时万用表的读数小于1,红表笔接二极管的正极,黑表笔接二极管的负极。若读数为“1”,则黑表笔一端为正极。
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