什么是二极管？PN结二极管的建设和工作

什么是二极管？

“Di”=两个，“ **Ode”=** 电极，即具有两个电极的器件或组件，即阳极“+”（P）和阴极 **“-”** （N）。

二极管是一种两端单向电力电子设备。半导体二极管是半导体电子设备家族中的第一项发明。之后发明了许多类型的二极管。但今天最常用的二极管也是半导体二极管。

通常，硅用于制造二极管。但也使用另一种半导体材料，如锗或砷化锗。

二极管只允许电流沿一个方向流动，并阻断另一个方向的电流。它在一个方向上提供低电阻（理想情况下为零），在另一个方向上提供高电阻（理想情况下为无限）。

二极管的象征

二极管的构造

半导体材料有两种类型;本征和外在半导体。本征半导体是一种纯半导体，其中空穴和电子在室温下数量相等。在外在半导体中，添加杂质以增加空穴数或电子数。这些杂质是三价（硼、铟、铝）或五价（磷、砷、锑）。

半导体二极管有两层。一层由P型半导体层制成，第二层由N型半导体层制成。

如果我们在硅或锗中添加三价杂质，则存在更多的空穴，并且是正电荷。因此，该层称为P型层。

如果我们在硅或锗中添加五价杂质，则存在更多的电子，这是一个负变化。因此，该层称为N型层。

二极管是通过将N型和P型半导体连接在一起而形成的。该器件是P型和N型半导体材料的组合，因此也称为PN结二极管。

在P型和N型层之间形成结点。此结称为 PN 结。

二极管有两个端子;一个端子取自P型层，称为阳极。第二个端子取自N型材料，称为阴极。

下图显示了二极管的基本结构。

二极管的工作原理

在N型区域，电子是多数电荷载流子，空穴是少数电荷载流子。在P型区域，空穴是多数电荷载流子，电子是负电荷载流子。由于浓度差异，大多数电荷载流子扩散并与相反的电荷重新结合。它产生正离子或负离子。这些粒子在结处收集。这个区域被称为枯竭区域。

当二极管的阳极端子与负极端子连接，阴极与电池的正极端子连接时，二极管被称为反向偏置连接。

类似地，当阳极端子与正极端子连接并且阴极与电池的负极端子连接时，二极管被称为正向偏置连接。

二极管在反向偏置条件下的工作

二极管以反向偏置方式连接。在这种情况下，自由电子扩散到P型区域并与空穴重新结合。它会产生负离子。类似地，空穴扩散到N型区域并与电子重新结合。它将产生正离子。

连接图如下图所示。

当将这种电压施加到电路上时，不动的离子会产生一个耗尽区域，如上图所示。耗尽区的宽度很大。因此，没有更多的空穴或电子穿过结。

即使以额定电压供电，它也不会产生电子或空穴流。因此，电流不可能流过二极管，它表现为开路开关。

在这里，非常少量的电流将流过电路。该电流称为反向饱和电流或反向漏电流。这种电流流向少数电荷载流子。该电流不足以传导二极管。

如果我们将电压增加到反向击穿电压，少数电荷载流子会获得高动能并与原子碰撞。在这种情况下，共价键的数量断裂和大量的电子 - 空穴对产生大量的电流。

由于这种高电流，二极管可能会损坏。因此，在一般情况下，二极管不会以反向偏置方式连接。

二极管在正向偏置条件下的工作

当阳极与电池的正极端子连接并且阴极与电池的负极端子连接时，阳极相对于阴极为正极。据说二极管以正向偏置方式连接。

现在，我们逐渐增加电源电压。如果我们增加一个小的电压，大多数电荷载流子就没有足够的能量穿过耗尽区域。

在正向偏置条件下，耗尽区的宽度非常小。如果增加的电压超过正向击穿电压，则大多数电荷载流子将获得足够的能量来穿过耗尽区域。

硅正向击穿电压为0.7V，锗正向击穿电压为0.3V。

当电源电压增加超过此电压时，大多数电荷载流子流过电路并使二极管导通。

在这种操作模式下，会发生非常少量的跌落。这种压降称为导通态压降。该模式的连接图如下图所示。

VI-二极管的特性

二极管的VI特性显示了二极管电流和电压之间的关系。它是电压和电流之间的图形，其中电压在X轴上，电流在Y轴上。

获得二极管VI特性的电路图如下图所示。

该特性分为两部分;

前向偏置

反向偏置

当不施加电压时，流过电路的电流为零。点“O”表示电压和电流为零的情况。

当P型材料或阳极与电池的正极端子连接，N型材料或阴极与电池的负极端子连接时，二极管正向偏置连接。

施加的电压由可变电阻控制。施加的电压逐渐增加。在电压增加正向击穿电压之前，电流不会流动。因为在这种情况下，电压不足以将电荷载流子从一层移动到另一层。

对于硅，击穿电压为0.7V，对于锗，该电压为0.3V。一旦电压增加到该水平以上，电压就足以将电荷载流子从一个载流子移动到另一个载流子。由于电荷的流动，电流可以流过二极管。

如特性所示，零件OP是非线性部分。这显示了电压低于正向击穿电压的开始周期。在这里，电流非常小。

当电压大于正向击穿电压时，PQ部分显示。在这种情况下，电流呈线性增加。

在这种情况下，二极管表现为闭合开关，因为它允许电流流动。对于理想二极管，导通电阻为零，其行为为纯导体。

在反向偏置中，N型材料或阴极与电池的负极端子连接。这种类型的连接称为反向偏置连接。

在这种情况下，电压在可变电阻的帮助下逐渐增加。但这个电压不足以引起电流的流动。

因为P型和N型层之间形成的结处于反向偏置状态，并且在这种情况下耗尽宽度很大。因此，额定电压不足以产生电荷载流子的运动。

因此，电流不会流过二极管。在此模式下获得的曲线是OA。如图所示，由于少量电荷载流子，将流出非常少量的电流，该电流不足以打开二极管。

当施加的电压大于反向击穿电压时，由于雪崩击穿，将流出大电流。此部分在图中显示为 AB。

二极管的优点

PN结二极管相对于真空二极管有一些优点，如下所示。

体积小

所需空间更少

重量轻

运行最可靠

低功耗

更长的使用寿命和效率

低内阻

易于安装和维护

结构简单，坚固

成本低，易于获得

二极管的应用

二极管用于电力电子的各种应用。二极管是一种单向双端子器件，只允许电流沿一个方向流动，而阻断另一个方向的电流。由于这一特性，二极管用于以下应用：

整流器

倍压电路

过压限制器

剪刀和钳位器电路

反向电流保护电路

数字逻辑门

它用于太阳能电池板以避免反向电流流动，并用于旁路太阳能板。

它还用于调制和解调通信信号。

还有许多其他类型的二极管可用于几种类型的二极管，例如;

光电二极管用于将光子能量转换为电能。

发光二极管用于照明目的。

齐纳二极管用作稳压器电路。

隧道二极管用于RF电路。

可变电容二极管用于调谐目的。