二极管的应用步骤(二极管的应用领域)

二极管(Diode),是一种只允许电流由单一方向流过的半导体器件。从二极管内部PN结引出两个接线端子,当外加适当正向电压时,二极管会导通,电流从阳极流向阴极,相反,在外加适当反向电压时,二极管会截止而没有电流通过,这就是单向导电性。 它的原理图符号如下图所示: 要理解二极管的单向导电特性,首先了解组成二极管的半导体材料:硅与锗。 物质是由原子组成的,而原子由原子核与电子组成,原子核带正电,电子带负…

二极管(Diode),是一种只允许电流由单一方向流过的半导体器件。从二极管内部PN结引出两个接线端子,当外加适当正向电压时,二极管会导通,电流从阳极流向阴极,相反,在外加适当反向电压时,二极管会截止而没有电流通过,这就是单向导电性。

它的原理图符号如下图所示:

二极管基础知识及应用电路分析

要理解二极管的单向导电特性,首先了解组成二极管的半导体材料:硅与锗。

物质是由原子组成的,而原子由原子核与电子组成,原子核带正电,电子带负电,在正常情况下,原子核与电子的带电数是一样的,由于正负抵消,整个原子呈现电中性,即对外不显电性。

通常电子以原子核为中心运动,这与太阳系中的行星绕着太阳公转一样,如下图所示:

二极管基础知识及应用电路分析

我们也常用下图描述电子与原子核之间的关系:

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原子核外围的电子排列是有一定的规律,我们以下面这种方式来表达。

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虽然看不懂你在说什么,但好像很厉害的样子,好在我们只需要了解最外层电子数,如上图所示,最外层电子数为3

材料的稳定性由最外层电子数决定,一般最外层电子数少于4时为金属性,大于4时为非金属性,最外层电子数为8时最稳定,而当最外层电子数为4时,这种材料即容易失去电子,又容易得到电子。

我们的故事就是从最外层电子数为4的材料开始的,它们通常是硅(Si)或锗(Ge),它们的原子结构如下所示:

二极管基础知识及应用电路分析二极管基础知识及应用电路分析

下面我们以硅材料为例进行讲解。

当一大堆的硅元素在一起生活时,由于每个硅元素的最外层电子数都是4,这种状态是很不稳定的,大家虽然财力是一样的,你不喜欢我,我也不是很瞧得起你,但既然要长久地生活在同一片天空,还是要忍辱负重形成一种相对稳定的状态。前面我们提到最外层电子数为8是比较稳定的,于是它们商量了一下,与周围的每个人共用一个电子,这样每个硅元素的最外层电子数都最是8,达到了相对比较稳定的状态,如下图所示:

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其中,被两方共用的电子称为价电子,而那一对电子形成共价键连接相邻的两个原子。

如果不出意外的话,这些生活在一起的硅元素必将和平共处相安无事,直到世界的尽头,但是理想很丰满,现实是骨感的,这种共价键的连接方式不是很稳定,它对温度与光线很敏感!

如下图所示,当受到温度或光线的挑拨离间时,硅元素之间的共价电子会获得足够的能量从共价键中跳出来,我们将跳出来的电子称为自由电子,而将该电子原来的位置称为空穴(也就是座位了)

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这些跳出的电子一旦多了起来,相应的空穴也会多起来,在外加电场或其它能源的作用下,邻近价电子就可以填补到这个空位上,而在这个价电子原来的位置上就留下新的空位,以后其它电子又可转移到这个新空位上,这样就使共价键中出现一定的电荷,如下图所示:

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你可以认为是自由电子移动到了A位置,也可以认为是空穴从A位置的移动到了B位置,这种运动是相对的。

我们把由单一类型半导体元素的材料称为本征半导体,它是不含任何其它元素的结构完整的半导体晶体。当由于热与光的因素,使价电子获得足够能量挣脱共价键的束缚而跳出成为自由电子时,我们称这种现象为本征激发,同时将自由电子与空穴称为载流子。

本征半导体中的载流子越多,则导电性能越好,因此当温度越高时,更多的价电子会变成自由电子,相应的会有更多的空穴(它们之间也可能会不断地复合),这样载流子就更多了,自然导电性能越好。

很明显,本征半导体中的自由电子和空穴数量总是相等的,因为空穴的出现是因为电子的离开,就像一个人对应一个座位,没有任何其它多余的电子出现,也没有多余的空穴出现,成双成对…

生活很惬意!

有一天,一个叫做硼元素的穷外乡人进入了这个村庄,它的最外层电子数为3,加入到这个硅元素团体后,觉得硅元素的这种共价键生活方式不错,也与它们商量也一下,与四周的邻居共用4个电子,这样形成了最外层电子数为7,虽然因为少了一个电子而多出了一个空穴,但这里的硅元素都很好相处,少了就少了嘛,当村里其它硅元素共价键因为温度或光线的因素跳出自由电子时,这个自由电子就补住这个硼元素的这个空穴,这样硼元素因为多了一个电子而成为不能移动的负离子,而之前的硅元素因为失去一下电子而成为空穴。

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后来,越来越多的硼元素加入到这个村庄,每个加入的硼元素都因为同样的原因多出一个空穴,同样硼元素会因为得到电子变成负离子,这样空穴就会越来越多。

我们把在硅本征半导体中掺入的硼元素称为杂质,掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体,杂质半导体分为P型半导体与N型半导体,而这个空穴占多数载流子的杂质半导体称为P型半导体(空穴带正电,Positive),如下图所示:

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此时少数载流子电子也是有的,只不过相对载流子空穴占少数而已,日子就这么一天天过下去了…

有个叫磷元素的富户人家,它的最外层电子数为5,路过这个村一瞧,你丫的,全都是穷人,空穴满天飞,于是拔腿就跑到了邻近的硅元素村庄,只嫌没多长条腿,要是遇到打劫那还了得,这么多现金在身上真不方便。

这个邻村还没有来过外乡人,村里人虽然都不富有,但也很殷实,于是富人决定留下了,村里人对它也很客气,与它分享共用电子的生活方式,磷元素觉得不错呀,于是也与周围硅元素邻居共用了4个电子,形成了最外层电子数为8的相对稳定结构,但这样一来,自己就多出来了一个电子,富人琢磨了一晚上就决定不管了,谁想要谁要去,希望可以拉动本村的经济,富人因为失去一个电子而成为不能移动的正离子。

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正所谓物以类聚,人以群分,越来越多的磷元素加入了这个富村,每个加入的磷元素都会因为感恩而留出一个电子,这样电子就会越来越多。

我们把电子占多数载流子的杂质半导体材料称为N型半导体(电子带负电,Negative),如下所示:

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此时空穴载流子也是有的,只不过相对电子载流子占少数而已,日子也就这么一天天过下去了…

P型半导体穷村的村长一看N型半导体富村的发展情况,心里不平衡了,于是找富村村长商量一下,可否把我们村的经济情况带动一下,都是一个乡的,差距太大传出去不好。富村村长稍一思量就答应了,同时跟村里人传达了一下,两村合并如下图所示:

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刚刚合并的时候,N型半导体的电子载流子浓度很高,所以很多电子都往P型半导体那边跑,并与其中的空穴复合。

这个合并的过程也可以认为是P型的空穴向N型扩散,因为电子的移动方向总是与空穴的移动方向相反的,总之是多数载流子向少数载流子区前进,如下图所示:

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我们把因浓度差而引起载流子由高浓度区域向低浓度区域的转移,称为扩散。

理论上讲,两个半导体合并之后,P型半导体中的多数载流子空穴与N型的多数载流子电子会全部复合,但合并开始后,每次电子与空穴的复合,都会相应产生正离子与负离子,它们将产生内部电场力阻碍由于浓度差而带来的扩散。这个电场力会把P型半导体中的少数载流子电子往N型半导体中转移,同时把N型导体中的少数载流子空穴往P型半导体中转移。

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我们把电场的吸引或排斥作用引起的载流子移动叫做漂移。

很明显,对于两个材料的合并来说,扩散作用力是起正作用的,而漂移作用是起阻止作用的,这两个作用力是同时开始的。

刚开始的时候,扩散作用力比漂移作用力大,因此中间有一大片的电子与空穴都复合在一起,最后只留下不能移动的正离子与负离子,但是随着复合的空穴电子越多,留下的正离子与负离子也越来越多,形成的内电场越来越大,最后与扩散能力达到平衡,如下图所示:

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N型富村村长一看阻碍力(漂移作用)有点大,与P型穷村村长合计了一下,就先这样吧,不要再继续了,先看看效果如何。

我们把P型半导体与N型半导体合并后形成的正负电荷区称为PN结(也叫耗尽层),从P型半导体(P区)引出的电极称为A极(anode,阳极),而从N型半导体(N区)引出的电极称为K极(kathode/cathode,阴极),这样就形成了一个二极管了。

下面我们来看看这个二极管的特性

如下图所示,P区接电压正极,N区接电压负极(称为电压正向偏置)

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我们从小到大调整外加电压V来对二极管进行测试。

当外加电压V比较小时,由于PN结内电场的存在阻碍外电场的作用,此时二极管呈现出一个大电阻,正向电流几乎为零,好像有一个门坎,我们把这个门坎电压称为死区电压VTH,硅管的VTH约为0.5V,锗管的VTH约为0.1V。

虽然二极管还没有导通,但是由于外电场的作用,P区的多数载流子空穴与N区的多数载流子电子都向PN结移动,并与PN结中的正负离子相互中和,使PN结的电荷区变窄。

当外加电压V大于死区电压VTH时,二极管因内电场削弱而开始导通,并形成了正向电流IF(Forward current),同时在二极管两端会有一定的正向压降VF(Forward voltage),硅管的VF约为0.7V,锗管的VF约为0.3V

如果外加电压V持续增加,则正向电流也相应会增加,取决于外部限流电阻,这个IF有最大值,超过后二极管会损坏

其V-I曲线如下图所示:

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如下图所示,将P区接外电压V的负极,N区接外电压V的正极(称为反向偏置电压)

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此时外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN结加宽,从而更进一步阻碍电子扩散,呈现出一个大电阻,由于此时的电阻不是无穷大,因此会形成微弱的反向电流IR(Reverse current),其值越小越好

当反向电压增加到某一时刻时,压在蜗牛上的最后一根稻草来了,外加电压突破了内电场,此时反向电流将急剧增加,我们称这个电压为二极管的反向击穿电压VBR(Breakdown voltage)

其V-I曲线如下图所示:

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可以看到,PN结外加正向电压时,电阻值很小,PN结导通;施加反向电压时,电阻值很大,PN结截止,这就是它的单向导电性。

下图为二极管单向导电性的典型应用,由4个二极管组成的桥式整流电路,将输入的220V交流电压整流成脉冲直流电压VP。当交流电压的正半周到来时,由于二极管的单向导电性,D1与D3截止,D2与D4导通,从而输出直流脉冲电压VP将负载电灯泡点亮。

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当交流电压的负半周到来时,D2与D4截止,D1与D3导通,输出直流脉冲电压VP同样可以将负载电灯泡点亮

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其输入输出波形如下所示,实际应用中,由于电容C1(一般容量很大)的存在,脉冲直流电压的波动会小一些。

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