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二极管工作原理
擎维电气   2017-12-03 11:00 作者:SystemMaster 来源: 文字大小:[][][]

那是1947年的一个冬天,贝尔实验室的三位科学家发明了三极管,改变了世界,推动了全球的半导体电子工业。于是10年后又一个冬天,哥仨一起获得了诺贝尔物理学奖。然而这三极管可不是被凭空发明出来的,从结构上看,她是由两个组成,绝逼“干儿子”。今天电子产品世界小编为您带来 “干爹”的传奇故事。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/267931.htm

 1 :二极管=+马甲儿

  在半导体性能被发现后,二极管成为了世界上第一种半导体器件,目前最常见的结构是,在上加上引线和封装,就成为一个二极管,甚至可以说二极管实际上就是由一个构成的,因此约等于PN的工作原理,小编从源头讲讲二极管(PN结)到底是怎么来的?

  1.1 :二极管PN节的好哥俩:P型半导体、N型半导体

  我们一般根据导电能力(电阻率)的不同将物体来划分导体、绝缘体和半导体。更通俗地讲,完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。但实际半导体不能绝对的纯净,这类半导体称为杂质半导体。

  P型半导体

  如果我们在纯硅中掺入少许的硼(最外层有3个电子),就反而少了1个电子,而形成一个空穴,这样就形成P型半导体(少了1个带负电荷的原子,可视为多了1个正电荷)。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时,缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。

  图1.P型半导体的共价结构

  在P型半导体中空穴是多数载流子,它主要由掺杂形成;自由电子是少数载流子,由热激发形成。空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

  N型半导体

  如果在纯硅中掺杂少许的砷或磷(最外层有5个电子),就会多出1个自由电子,这样就形成N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键,而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子,如图1所示。

  图2. N型半导体的共价结构

  在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供;空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质。

  1.2 PN结=P∩N(注:“∩”交集)

  在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体另一边形成P型半导体后,两种半导体的交界面附近的区域为PN结,如图3所示。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。

  图3.PN结原理图

  PN结的每端都带电子,这样排列使电流只能从一个方向流动。当没有电压通过二极管时,电子就沿着过渡层之间的汇合处从N型半导体流向P型半导体,从而形成一个耗尽区。在损耗区中,半导体物质会回复到它原来的绝缘状态--所有的这些“电子空穴”都会被填满,所以就没有自由电子,也就没有电流流动。

 2 二极管工作原理:二极管PN节的特性---最最最最最重要!

  2.1二极管小实验

  在电子电路中,将二极管的正极(P区)接在高电位端,负极(N区)接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式称为正向偏置。必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”,锗管约为0.2V,硅管约为0.6V)以后,二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V,硅管约为0.7V),称为二极管的“正向压降”。

  将二极管的正极(P区)接在低电位端,负极(N区)接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,此时二极管被击穿,这就是二极管的反向击穿特性,将在下一节介绍。

  2.2 二极管上升到理论

  为了除掉耗尽区,就必须使N型向P型移动和空穴应反向移动。为了达到目的,将PN结N极连接到电源负极,P极连接到正极。这时在N型半导体的自由电子会被负极电子排斥并吸引到正极电子,在P型半导体的电子空穴就移向另一方向。当电压在电子之间足够高的时候,在耗尽区的电子将会在它的电子空穴中和再次开始自由移动,耗尽区消失,电流流通过二极管,如图4所示。

  图4. PN结加正向电压时的导电情况

  若P极接到电源负极,N型接到正极。这时电流将不会流动。N型半导体的负极电子被吸引到正极电子。P型半导体的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动,所以就没有电流流通过汇合处,耗尽区增加,如图5所示。

  图5. PN结加反向电压时的导电情况

  PN结V-I 特性表达式(伏安特性曲线如图6所示)

  其中,IS ——反向饱和电流;

   VT ——温度的电压当量;

  且在常温下(T=300K)时,

  图6. PN结的伏安特性曲线

  2.3总结

  PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;

  PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。

  PN结具有性。

 3 二极管工作原理:二极管PN节的反向击穿—大大的有用!

  当PN结的反向电压增加到一定数值时,反向电流突然快速增加,此现象称为PN结的反向击穿。发生反向击穿时,在反向电流很大的变化范围内,PN结两端电压几乎不变,如图7所示。反向击穿分为电击穿和热击穿,PN结热击穿后电流很大,电压又很高,消耗在结上的功率很大,容易使PN结发热,把PN结烧毁。热击穿是不可逆的。PN结电击穿从其产生原因又可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。

  图7.PN结的反向击穿

  雪崩击穿

  当PN结反向电压增加时,空间电荷区中的电场随着增强。通过空间电荷区的电子和空穴,在电场作用下获得的能量增大,在晶体中运动的电子和空穴,将不断地与晶体原子发生碰撞,当电子和空穴的能量足够大时,通过这样的碰撞,可使共价键中的电子激发形成自由电子—空穴对,这种现象称为碰撞电离。新产生的电子和空穴与原有的电子和空穴一样,在电场作用下,也向相反的方向运动,重新获得能量,又可通过碰撞,再产生电子—空穴对,这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后,载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样,载流子增加得多而快,使反向电流急剧增大,于是PN结就发生雪崩击穿。

  雪崩击穿多发生在杂质浓度较低的二极管,一般需要比较高的电压(>6V),击穿电压与浓度成反比。

  齐纳击穿

  在加有较高的反向电压下,PN结空间电荷区中存在一个强电场,它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子—空穴对,形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2*105V/cm,这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到,因为杂质浓度大,空间电荷区内电荷密度(即杂质离子)也大,因而空间电荷区很窄,电场强度就可能很高。一般整流二极管掺杂浓度没有这么高,它在电击穿中多数是雪崩击穿造成的。

  齐纳击穿多数出现在杂质浓度较高的二极管,如稳压管(齐纳二极管)。

必须指出,上述两种电击穿过程是可逆的,当加在稳压管两端的反向电压降低后,管子仍可以恢复原来的状态。但它有一个前提条件,就是反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率,超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升,直到过热而烧毁,这种现象就是热击穿。所以热击穿和电击穿的概念是不同的。电击穿往往可为人们所利用(如稳压管),而热击穿则是必须尽量避免的。

  小问题

  1) PN结的反向击穿电压是多少?

  采取适当的掺杂工艺,将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8~1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5~8v之间丽种击穿可能同时发生。

  2) 二极管三极管和稳压管是否一样呢?

  不一样,BC结的反向击穿电压低的几十伏,高的数百伏,但有一点是一样的,就是NPN管的BE结反向击穿电压都是6V左右,因此NPN管的BE结可当6V稳压管用。

  补充:应该是所有硅材料管(PNP和NPN)的BE结都有反向击穿电压都是6V这特性,利用这特性可鉴别管子的C和E脚,用10K档分别测BC和BE的反向电阻,击穿的是BE结。

 4 二极管工作原理:二极管PN结的极间电容

  PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容,叫做“极间电容”(如图所示)。由于电容抗随频率的增高而减小。所以,PN结工作于高频时,高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时,极间电容对直流和低频的阻抗很大,故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大,极间电容量越大,影响也约大,这就是面接触型二极管(如整流二极管)和低频三极管不能用于高频工作的原因。

 5 二极管工作原理:数字万用表测试二极管好坏

  二极管比较容易损坏的元件,其烧坏容易造成线路短路或断路的情况,影响电器正常工作,因此需要掌握测试二极管好坏的方法。

  关于如何使用数字万用表,请参考小编的《数字万用表使用方法》,这里主要介绍数字万用表测试二极管好坏。

  1) 辨别出二极管的正负极,有白线的一端为负极,另一端为正极。

  2) 将万用表上的旋钮拨到通断档位,并将红黑表笔插在万用表的正确位置。

  3) 将红表笔接二极管正极,黑表笔接负极。然后观察读数,如果满溢(即显示为1),则二极管已坏。若有读数,则交换表笔,若还有读数而不满溢,则二极管坏。

  4) 如果是发光二极管,若二极管正常,则可以看到微弱的亮光,长脚为正极。

 6 二极管工作原理:二极管的主要参数

  1) 额定正向工作电流

  二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度(硅管为140左右,锗管为90左右)时,就会使管芯过热而损坏。所以,二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。

  2) 最高反向工作电压

  加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,失去能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。

  3) 反向电流

  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,管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高10,反向电流增大一倍。

  4) 最高工作频率fM(MC)

  二极管能承受的最高频率。通过PN结交流电频率高于此值,二极管接不能正常工作。

  5) 最高反向工作电压VRM(V)

  二极管长期正常工作时,所允许的最高反压。若越过此值,PN结就有被击穿的可能,对于交流电来说,最高反向工作电压也就是二极管的最高工作电压。

  6) 最大整流电流IOM(mA)

  二极管能长期正常工作时的最大正向电流。因为电流通过二极管时就要发热,如果正向电流越过此值,二极管就会有烧坏的危险。所以用二极管整流时,流过二极管的正向电流(既输出直流)不允许超过最大整流电流。

    7 二极管工作原理:特殊体二极管

  1) 稳压二极管

  电路符号:与普通二极管的电路符号稍有区别。

  原理:又叫齐纳二极管,是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定

  用途:稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更高的稳定电压。

  2) 发光二极管(LED)

       电路符号:在普通二极管电路符号的边上加两个向外发射的箭头。 


       原理:利用自由电子和空穴复合时能产生光的半导体制成,采用不同的材料,可分别得到红、黄、绿、橙色光和红外光。常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物,如砷化镓、磷化镓等。制作材料决定光的颜色(光谱的波长)。

  特点:通以正向电流发光,光亮度随着电流的增大而增强,工作电流为几个毫安到几十毫安,典型工作电流为10mA左右。正向导通电压较大。

  用途:一般作为电子产品的指示灯

  3) 光电二极管

  电路符号:在普通二极管电路符号的边上加两个朝向管子的箭头。


       原理:普通二极管在反向电压作用时处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流。光的强度越大,反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件

  特点:无光照时与普通二极管一样具有单向导电性。使用时,光电二极管的PN结应工作在反向偏置状态,在光信号的照射下,反向电流随光照强度的增加而上升(这时的反向电流叫光电流)。光电流也与入射光的波长有关。

  用途:用于测量光照强度、做光电池。

  4) 变容二极管

  电路符号:在普通二极管电路符号的边上加一个电容符号。

  原理:当外加顺向偏压时,有大量电流产生,PN(正负极)结的耗尽区变窄,电容变大,产生扩散电容效应;当外加反向偏压时,则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生,所以在应用上均供给反向偏压。

  用途:用于电子调谐、调频、调相和自动控制电路等.

  5) 肖特基二极管

  电路符号:与普通二极管的电路符号稍有区别。

  原理:贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。

  特点:为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右。

  用途:多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管,也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。

 

 

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