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二极管的基础知识

2022年11月10日 16:45 硬件工程师威廉希尔官方网站 干货 作者:硬件工程师威廉希尔官方网站 干 用户评论(0

二极管是很常见的电子元器件,有两个极,即阴极和阳极,二极管具有单向导电性,电流只能从阳极流向阴极,电压反向时二极管截止。几乎所有电子电路中都能找到二极管的身影。

1、材质

1)硅单质

硅原子核外有14个电子,其中最外层有4个电子,在硅单质中,原子和原子之间互相借用电子形成一种稳定的结构。没有多余的自由电子,这种稳定结构是不导电的。这里为了便于理解画成了平面图形,如下图所示:

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2)P(positive)型半导体

把硼等3价元素作为杂质参入硅单质中,这种混合体就叫P型半导体,硼原子最外层有3个电子,和硅原子混合后,会有“空穴”产生,空穴能够承载电子,这种空穴被称作载流子,因此这种P型半导体是能够导电的。由于制作工艺、纯净度等因素,在P型半导体中也存在少量自由电子,因此在P型半导体中空穴称为多子,自由电子称为少子。注意一点,P型半导体整体不带电,呈电中性。如下图所示。

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3)N(negative)型半导体

把磷等5价元素作为杂质参入硅单质中,这种混合体就叫N型半导体,磷原子最外层有5个电子,和硅原子混合后,会有多余的自由电子剩余,多余的自由电子也被称作载流子,因此这种N型半导体也是能够导电的。由于制作工艺、纯净度等因素,在N型半导体中也存在少量空穴,因此在N型半导体中自由电子称为多子,空穴称为少子。注意一点,N型半导体整体不带电,呈电中性。如下图所示:

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单独的P型半导体或N型半导体都是不带电的,不少人认为P型带正电,N型带负电,这是错误说法,不管是P型还是N型,都是有两种元素混合到一起的,这两种元素都是电中性,混合到一起就不是了?

2、载流子运动方式

载流子有两种运动方式:

扩散:载流子会从高浓度区域向低浓度区域扩散。

漂移:载流子在电场的作用下移动。

载流子包括空穴和电子,实际上扩散和漂移是指的电子,而并非空穴,电子移动到新位置后,新位置从电中性变为带负电,而电子原来的位置因为电子离开形成带正电的“空穴”, “看起来”空穴在移动。

3、二极管构成(PN结)

为了便于理解,简化了示意图,左侧是P型半导体,含有大量空穴以及极少自由电子,右侧N型半导体,含有大量自由电子以及极少空穴。

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将N型半导体和P型半导体制作在同一块硅片上就形成了二极管,如下图,N型半导体自由电子浓度大,逐渐向P型半导体扩散,与P型半导体中的空穴复合。“看起来”像空穴移动到了N型半导体一侧。N型半导体因丢失电子而带正电,P型半导体因得到电子而带负电。两侧带电极性相反,从而建立电场,电场方向由N指向P。电场的建立会使扩散到P区电子返回N区,这就是漂移运动。在这里扩散和漂移是相反的运动,最终达到动态平衡。产生电场的区域叫做空间电荷区,又叫做耗尽区,也就是经常说的PN结(PN junction)。

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4、二极管正向导通

给二极管施加正向电压,正向电压形成的外部电场和内电场方向相反,内部电场受到外部电场“挤压”,削弱了内部电场,促进了自由电子向P区扩散,也就是说自由电子更容易从N区进入P区,进入P区后N区剩下的空穴由电源提供的自由电子填充,同时扩散到P区的自由电子被电源“吸”出来,留下空穴。就这样形成电流,二极管实现正向导通。

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5、二极管反向截止

给二极管施加反向电压,反向电压形成的外部电场和和内部电场方向相同,N区域自由电子被电源拉向电源正极,P区的空穴被电源负极输出的电子填充,内部电场得到加强,漂移运动加强,空间电荷区变宽。P区空间电荷区中的空穴几乎都被填满,空穴失去载流功能,只有数量极少的自由电子,被电场加速进入N区,自由电子原来的位置被电源输出的电子填充,行成极小反向漏电流。

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( 发表人:汤梓红 )

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