二极管 原理 特性 参数

趁期末考试之际，来整理点小硬件元器件的知识。

 

1 二极管工作原理

二极管是一个PN结及它所在的半导体再加上电极引线和管壳组成的。二极管的P区为阳极，N区为阴极。一般二极管的管壳之上会标有符号或色点或色圈来表明二极管的极性。二极管的工作原理主要体现在PN结之上。

 

1.1 PN结

不管真实用的时候会不会刨到PN结的原理这里来，但始终都是可以作为分析使用的。

 

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。制造半导体器件的材料主要是硅和锗。纯净的结构完整的半导体称为本征半导体。本征半导体中载流子浓度小，导电能力弱，且对温度变化敏感，不利于实际应用。在纯净的半导体中有选择的掺入微量杂质元素，并控制掺入的杂质元素的种类和数量就可以显著的改变和控制半导体的导电特性，被掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体可分N型和P型两类。

 

1.1.1 N型半导体

在本征半导体中掺入适量的5价元素如砷或磷。可使半导体中自由电子浓度大大增加（ 在与4价原子外部电子形成共价电子后，5价电子原子核对剩余的一个电子的约束能力较小而使剩余的一个电子成为自由电子，其余的与4价的组成共价键），形成N型半导体。N型半导体中，电子（成了多子）浓度大于空穴浓度。

 

1.1.2 P型半导体

在本征半导体中加入适量3价元素如硼或铟，可使半导体中的空穴浓度大大增加（p型半导体的结构：原来的4价元素彼此之间通过外部电子形成共价键从而构成网络。加入的3价元素加入此网络中，在与原来网络之上的4价元素形成共价键时，3价元素外部电子就会缺少一个电子来与4价元素的第4个电子形成共价键，这时3价元素外部就形成了一个空位即差一个电子与4价原子的第4个电子形成共价键，临近的原子的外部电子很容易就能填补这个空位，此时3价元素外部就多了一个电子，失去电子部位的共价键变为空穴），形成P型半导体。P型半导体中，空穴（成了多子）浓度大于电子浓度。

 

1.1.3 空穴

空穴又称电洞（Electronhole），在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空穴的现象。即共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴。

 

1.1.4 PN结的形成

PN结：在N( P )型半导体的基片上，掺入3价( 5价 )元素作为补偿杂质，其浓度高于原掺入杂质（使本征半导体变为P、N型半导体所加入的杂质浓度）浓度，形成一个P型区( N 型区 ),那么在P型区和N型区的交界处便形成一个PN结。

 

PN结由P型和N型半导体构成时会经历多子扩散，自建电场过程。

当P型和N型半导体结合在一起的时候，两边的载流子存在很大的浓度差，P区中空穴向N区扩散的同时N区的电子向P区扩散，扩散的结果是使P区一侧因为失去了空穴而留下了不能移动的负离子（空穴的原原子的电子给了5价元素），在N区因为电子扩散而留下不能移动的正离子（整个原子少了一个电子就是正离子了）。此种正负离子中间区域处形成空间电荷区，即PN结，空间电荷区也从而形成自建电场。在自建电场的作用一方面阻碍多子的扩散运动，另一方面当两个区域的少子靠近PN结时便在电场力作用下作漂移运动。最后少子的漂移运动和多子的扩散运动达成动态平衡。自建电场的宽度不在变化。

 

1.1.5 PN结加正向电压

当外界有正向电压偏置时，外加电压的正极接P区，负极接N区。外界电场和自建电场的方向相反，在外加电场强度大于自建电场时，多子扩三得到加强，从而得到流进P级的“正向”电流。

 

1.1.6 PN结加反向电压

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场方向相同，自建电场得到进一步加强，PN结变宽。此时通过PN结的电流称为反向电流，主要是少子的漂移而产生，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流（ 少子浓度小呀，再怎么着就那么点 ）。当外加反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值而产生载流子倍增的过程，今儿产生大量电子空穴对，由此产生了数值很大的反向击穿电流，这就是二极管的击穿现象。

 

2 二极管的导电特性

二极管的导电特性跟PN结的导电特性一致。

 

图 1 二极管的理论伏安特性曲线

2.1 二极管的正向特性

为二极管加正向电压时，电压必须要达到一个门槛电压（ 开启电压 ）时二极管才会导通。硅二极管的门槛电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。当正向电压大于门槛电压时，正向电流近似指数规律增加，二极管呈充分导通状态。充分导通下的二极管的电阻很小，加在二极管之上的电压变化甚小时都能引起很大的电流变化。硅管的电压降约0.6V--1.0V，锗管约为0.2 - -0.5V.

2.2 二极管的反向特性

图1中OB曲线部分是二极管的反向特性，当温度升高时，特性曲线会下移，根据书中所述：据研究表明，温度每升高10℃，硅管和锗管的反向电流都近似增大一倍。

2.3 二极管的反向击穿

这是要区分于二极管的反向特性的。二极管的反向特性表现在OB段，而反向击穿特性表现在BA段。这是当二极管的反向电压大于某值时造成的。

硅管和锗管的伏安特性曲线跟理想二极管特性曲线还是有一点点差别，相信实际应用中硅锗二极管的伏安特性曲线也有区别

 

3 二极管的类型

二极管的类型众多。按材料分常用的有硅管和锗管两种；按结构分类有点接触型、面接触性和硅平面型；按用途分有普通二极管、整流二极管、开关二极管、稳压二极管等多种。二极管有自己的命名规则，各种二极管的样子和功能及命名规则可谷歌、百度之。

 

4 二极管的主要参数

（1）二极管的主要参数

指二极管长时间连续工作时允许通过的最大的正向电流值。其值跟PN结面积和外部散热条件有关。二极管长时间流过电流会使管芯发热，温度上升，温度超多允许范围（硅140°左右，锗90°左右）时，管芯就会过热而损坏。在规定散热条件下，不要超过二极管最大正向电流值。

 

（2）最高反向工作电压

加在二极管的反向电压高达一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。

 

（3）反向电流

二极管的反向电流不是被击穿后的电流。指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，二极管的单向导通性能也就越好。反向电流跟温度有密切关系，一般温度升高10℃时反向电流就会增加一倍。

 

（4）最高工作频率

二级管工作的上限频率即使二极管但想导通能力开始明显下降时的交流信号的频率值。

 

Note Over。

2013-06-17