我理解的二极管工作原理

作者：AirCity 2020.2.2
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本文从物理学原理告诉你这些管子是如何工作的。

本征半导体
先说一下半导体，它是指硅，锗和砷化镓等。这种半导体中，叫本征半导体。本征半导体有稳定的共价键，一个原子周围有几个电子，互相吸引，形成稳定结构。但是在热激发的作用下，电子会随机无序运动。一个电子跑了，在稳定的共价键结构中多了一个空穴，因此也可以认为是空穴也在做随机无序运动，我们可以把空穴想象成是“正电荷”。
少子漂移
在本征半导体中掺杂其他元素，形成N型半导体或P型半导体。不管哪种半导体，电子和空穴的随机无序运动都是存在的，这种运动叫做“少子漂移”，少子漂移的根本原因可以理解为是电子不稳定，在乱跑。

PN结
二极管就是一个PN结，一半是掺杂了少量三价元素（硼铝铟）的P型半导体，由于共价键的作用，这种半导体会多出一些空穴；一半是掺杂了少量五价元素（磷，砷，锑）的N型半导体，这种半导体会多出一些电子。


多子扩散
这里要注意，这里所说的多出来的一些“空穴”或“电子”，只是它们在共价键结构中没有固定的位置了，变得更不稳定了，而不是让这个半导体整体多了一些“正电荷”和“负电荷”。
P型半导体的空穴，容易被旁边的电子填充，导致旁边多了一个空穴，造成一种空穴移动的假象。N型半导体不稳定的电子容易占据挤走旁边的电子，被挤走的电子又去挤别的电子。这些空穴和电子在热激发作用下，变得非常不稳定，他们的移动叫做“多子扩散”。

在P和N型半导体的“接触面”，同时发生着“多子扩散”和“少子漂移”，如下图。

在P型半导体中，不稳定的空穴数量多，是多子。N型半导体中，不稳定的电子多，是多子。“多子扩散”就是在P和N半导体的分界面，P型半导体的空穴极大的吸引了N型半导体的电子，以至于在他们的分界面处，建立了一块“稳定区域”，这个区域中，N型半导体共价键中不稳定的电子填充了P型半导体共价键中的空穴，形成了共价键“稳定区域”。这个稳定区域就是上图中的内建电场区域。这个区域中，靠近P型半导体的一边电子多，带负电，靠近N型半导体的一边，电子少，带正电。内建电场形成后，会阻止“多子扩散”，最终达到一种平衡，也就是电场力=多子扩散力。

这个内建电场区域叫做势垒区，注意，势垒区是二极管，稳压二极管，TVS管，三极管原理的精髓！一定要理解。

势垒区的本质是PN接触面两侧的电子浓度差和共价键的力。可以把这个区域理解成一个平衡区域，这个平衡抑制了“多子扩散”。
这个区域越大，掺杂半导体的活跃“多子”越少，半导体越不容易导通。
这个区域越小，掺杂半导体的活跃“多子”越多，半导体越容易导通。
这个区域越大，内建电场越强，阻值电子从N区扩散到P区（多子扩散）的能力越强。

这个时候，我们在PN结上施加电压：

正向偏压P正N负，这个外部电场与势垒区内建电场方向相反，势垒区变小，只有外部电场大于内部电场，电子通过势垒区，这个PN结才会导通。所以说，二极管的正向偏压在0.7V以后，电流才会显著增加，0.7V一下，电流都很小。下面是一个二极管的V-V曲线：

反向偏压P负N正，这个外部电场与内部电场相同，势垒区变大，阻值电子从N区扩散到P区（多子扩散）的能力变强，这个时候半导体中的多子扩散很少，电流也很小。当反向偏压达到一定程度，PN结被击穿（雪崩击穿：也即电子碰撞产生连锁反应；齐纳击穿：强电场拉动电子击穿），电流急剧增加。这种击穿是可逆的，只要PN结不烧毁。击穿后，电流变化很大，但是电压不怎么变，这就是稳压二极管的原理。

注意：PN结正偏导通，靠的是多子，PN结反偏导通靠的是少子。所以正偏电流大。

从这个原理来看，稳压二极管可以串联使用，组合成不同的电压值。稳压二极管的工作电流越大，导通电阻就越小，性能越好。

势垒区有个特性，外部正向电压增加，势垒区变小，PN结两侧存储的电荷变少；外部电压减小，PN结两侧存储的电荷增加；这类似于电容的特性，叫做PN结的结电容Cd。

势垒区越厚，结电容越大，PN结导通速度越慢，反之亦然。

TVS管也是二极管，只是它的能以更快的速度被击穿，迅速将电流泄放到GND，并将电压钳位在安全范围内。TVS比稳压二极管的反向击穿速度更快。

光敏二极管工作室要加反向偏压，但更没有光照时，电流很小，这部分电流是“少子漂移”形成的，可以成为暗电流。当有光照时，加点字吸收光能跃迁，形成电子-空穴对，这些电子空穴对在反向偏压的作用下迅速离开势垒区，形成光生电流。

肖特基二极管一半是半导体，另一半是金属，特点是反向恢复时间（由正向导通到反向不导通的时间）很短，高频特性好。导通电压和反向击穿电压低。

二极管的典型应用电路

二极管应用电路——整流

二极管应用电流——限幅

二极管应用电路——续流

开关打开瞬间，电感的电流不能突变，沿着原来的方向继续流动，续流二极管提供了一个路径。如果没有这个路径，电感两端会产生很大的电压，激发出电弧。
二极管应用——串联型LDO

二极管应用——过压保护

通过PN结了解三极管，见文章《三极管BJT与场效应管FET》

二极管常用电路：
或门

与门

与非门

与非门

三输入与门

三输入或门

我用过的二极管

品牌	型号	参数
WILL	WSB5539N-2/TR	500mA,肖特基 MSM8953平台VPH输出BUCK
NXP	PMEG4010ESB	1A,肖特基 Boost电路
Rohm	CDZVT2R5.1B	5V，稳压管 USB Audio Switch的Vbus输入稳压
LRC	LDSR01S30ST5G	100mA，肖特基管 小功率马达续流
NXP	PMEG3002AESF	同上 同上
Microsemi	JANTX1N4148	玻璃封装，小功率开关二极管 电源电路，航电项目
IRF	MBRB3045CT	30A肖特基管 电源防反向，航电项目
ON	MBR1100	1A肖特基 电源防反向
FAIRCHILD	MM3Z系列	稳压管 电源电路，航电项目
FAIRCHILD	MMBD4148	普通开关管 离散量输入，航电项目