什么是二極管？

“Di”=兩個(gè)，“Ode”=電極，即具有兩個(gè)電極的器件或組件，即陽(yáng)極“+”（P）和陰極“-”（N）。

二極管是一種兩端單向電力電子設(shè)備。半導(dǎo)體二極管是半導(dǎo)體電子設(shè)備家族中的第一項(xiàng)發(fā)明。之后發(fā)明了許多類(lèi)型的二極管。但今天最常用的二極管也是半導(dǎo)體二極管。

通常，硅用于制造二極管。但也使用另一種半導(dǎo)體材料，如鍺或砷化鍺。

二極管只允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，并阻斷另一個(gè)方向的電流。它在一個(gè)方向上提供低電阻（理想情況下為零），在另一個(gè)方向上提供高電阻（理想情況下為無(wú)限）。

二極管的象征

二極管的構(gòu)造

半導(dǎo)體材料有兩種類(lèi)型;本征和外在半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是一種純半導(dǎo)體，其中空穴和電子在室溫下數(shù)量相等。在外在半導(dǎo)體中，添加雜質(zhì)以增加空穴數(shù)或電子數(shù)。這些雜質(zhì)是三價(jià)（硼、銦、鋁）或五價(jià)（磷、砷、銻）。

半導(dǎo)體二極管有兩層。一層由P型半導(dǎo)體層制成，第二層由N型半導(dǎo)體層制成。

如果我們?cè)诠杌蜴N中添加三價(jià)雜質(zhì)，則存在更多的空穴，并且是正電荷。因此，該層稱(chēng)為P型層。

如果我們?cè)诠杌蜴N中添加五價(jià)雜質(zhì)，則存在更多的電子，這是一個(gè)負(fù)變化。因此，該層稱(chēng)為N型層。

二極管是通過(guò)將N型和P型半導(dǎo)體連接在一起而形成的。該器件是P型和N型半導(dǎo)體材料的組合，因此也稱(chēng)為 PN結(jié)二極管 。

在P型和N型層之間形成結(jié)點(diǎn)。此結(jié)稱(chēng)為 PN 結(jié)。

二極管有兩個(gè)端子;一個(gè)端子取自P型層，稱(chēng)為陽(yáng)極。第二個(gè)端子取自N型材料，稱(chēng)為陰極。

下圖顯示了二極管的基本結(jié)構(gòu)。

二極管的工作原理

在N型區(qū)域，電子是多數(shù)電荷載流子，空穴是少數(shù)電荷載流子。在P型區(qū)域，空穴是多數(shù)電荷載流子，電子是負(fù)電荷載流子。由于濃度差異，大多數(shù)電荷載流子擴(kuò)散并與相反的電荷重新結(jié)合。它產(chǎn)生正離子或負(fù)離子。這些離子在結(jié)處收集。這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為枯竭區(qū)域。

當(dāng)二極管的陽(yáng)極端子與負(fù)極端子連接，陰極與電池的正極端子連接時(shí)，二極管被稱(chēng)為反向偏置連接。

類(lèi)似地，當(dāng)陽(yáng)極端子與正極端子連接并且陰極與電池的負(fù)極端子連接時(shí)，二極管被稱(chēng)為正向偏置連接。

二極管在反向偏置條件下的工作

二極管以反向偏置方式連接。在這種情況下，自由電子擴(kuò)散到P型區(qū)域并與空穴重新結(jié)合。它會(huì)產(chǎn)生負(fù)離子。類(lèi)似地，空穴擴(kuò)散到N型區(qū)域并與電子重新結(jié)合。它將產(chǎn)生正離子。

連接圖如下圖所示。

當(dāng)將這種電壓施加到電路上時(shí)，不動(dòng)的離子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)耗盡區(qū)域，如上圖所示。耗盡區(qū)的寬度很大。因此，沒(méi)有更多的空穴或電子穿過(guò)結(jié)。

即使以額定電壓供電，它也不會(huì)產(chǎn)生電子或空穴流。因此，電流不可能流過(guò)二極管，它表現(xiàn)為開(kāi)路開(kāi)關(guān)。

在這里，非常少量的電流將流過(guò)電路。該電流稱(chēng)為反向飽和電流或反向漏電流。這種電流流向少數(shù)電荷載流子。該電流不足以傳導(dǎo)二極管。

如果我們將電壓增加到反向擊穿電壓，少數(shù)電荷載流子會(huì)獲得高動(dòng)能并與原子碰撞。在這種情況下，共價(jià)鍵的數(shù)量斷裂和大量的電子 - 空穴對(duì)產(chǎn)生大量的電流。

由于這種高電流，二極管可能會(huì)損壞。因此，在一般情況下，二極管不會(huì)以反向偏置方式連接。

二極管在正向偏置條件下的工作

當(dāng)陽(yáng)極與電池的正極端子連接并且陰極與電池的負(fù)極端子連接時(shí)，陽(yáng)極相對(duì)于陰極為正極。據(jù)說(shuō)二極管以正向偏置方式連接。

現(xiàn)在，我們逐漸增加電源電壓。如果我們?cè)黾右粋€(gè)小的電壓，大多數(shù)電荷載流子就沒(méi)有足夠的能量穿過(guò)耗盡區(qū)域。

在正向偏置條件下，耗盡區(qū)的寬度非常小。如果增加的電壓超過(guò)正向擊穿電壓，則大多數(shù)電荷載流子將獲得足夠的能量來(lái)穿過(guò)耗盡區(qū)域。

硅正向擊穿電壓為0.7V，鍺正向擊穿電壓為0.3V。

當(dāng)電源電壓增加超過(guò)此電壓時(shí)，大多數(shù)電荷載流子流過(guò)電路并使二極管導(dǎo)通。

在這種操作模式下，會(huì)發(fā)生非常少量的跌落。這種壓降稱(chēng)為導(dǎo)通態(tài)壓降。該模式的連接圖如下圖所示。

VI-二極管的特性

二極管的VI特性顯示了二極管電流和電壓之間的關(guān)系。它是電壓和電流之間的圖形，其中電壓在X軸上，電流在Y軸上。

獲得二極管VI特性的電路圖如下圖所示。

該特性分為兩部分;

前向偏置

反向偏置

當(dāng)不施加電壓時(shí)，流過(guò)電路的電流為零。點(diǎn)“O”表示電壓和電流為零的情況。

前向偏置

當(dāng)P型材料或陽(yáng)極與電池的正極端子連接，N型材料或陰極與電池的負(fù)極端子連接時(shí)，二極管正向偏置連接。

施加的電壓由可變電阻控制。施加的電壓逐漸增加。在電壓增加正向擊穿電壓之前，電流不會(huì)流動(dòng)。因?yàn)樵谶@種情況下，電壓不足以將電荷載流子從一層移動(dòng)到另一層。

對(duì)于硅，擊穿電壓為0.7V，對(duì)于鍺，該電壓為0.3V。一旦電壓增加到該水平以上，電壓就足以將電荷載流子從一個(gè)載流子移動(dòng)到另一個(gè)載流子。由于電荷的流動(dòng)，電流可以流過(guò)二極管。

如特性所示，零件OP是非線性部分。這顯示了電壓低于正向擊穿電壓的開(kāi)始周期。在這里，電流非常小。

當(dāng)電壓大于正向擊穿電壓時(shí)，PQ部分顯示。在這種情況下，電流呈線性增加。

在這種情況下，二極管表現(xiàn)為閉合開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗试S電流流動(dòng)。對(duì)于理想二極管，導(dǎo)通電阻為零，其行為為純導(dǎo)體。

反向偏置

在反向偏置中，N型材料或陰極與電池的負(fù)極端子連接。這種類(lèi)型的連接稱(chēng)為反向偏置連接。

在這種情況下，電壓在可變電阻的幫助下逐漸增加。但這個(gè)電壓不足以引起電流的流動(dòng)。

因?yàn)镻型和N型層之間形成的結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，并且在這種情況下耗盡寬度很大。因此，額定電壓不足以產(chǎn)生電荷載流子的運(yùn)動(dòng)。

因此，電流不會(huì)流過(guò)二極管。在此模式下獲得的曲線是OA。如圖所示，由于少量電荷載流子，將流出非常少量的電流，該電流不足以打開(kāi)二極管。

當(dāng)施加的電壓大于反向擊穿電壓時(shí)，由于雪崩擊穿，將流出大電流。此部分在圖中顯示為 AB。

二極管的優(yōu)點(diǎn)

PN結(jié)二極管相對(duì)于真空二極管有一些優(yōu)點(diǎn)，如下所示。

體積小

所需空間更少

重量輕

運(yùn)行最可靠

低功耗

更長(zhǎng)的使用壽命和效率

低內(nèi)阻

易于安裝和維護(hù)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固

成本低，易于獲得

二極管的應(yīng)用

二極管用于電力電子的各種應(yīng)用。二極管是一種單向雙端子器件，只允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，而阻斷另一個(gè)方向的電流。由于這一特性，二極管用于以下應(yīng)用：

整流器

倍壓電路

過(guò)壓限制器

剪刀和鉗位器電路

反向電流保護(hù)電路

數(shù)字邏輯門(mén)

它用于太陽(yáng)能電池板以避免反向電流流動(dòng)，并用于旁路太陽(yáng)能板。

它還用于調(diào)制和解調(diào)通信信號(hào)。

還有許多其他類(lèi)型的二極管可用于幾種類(lèi)型的二極管，例如;

光電二極管用于將光子能量轉(zhuǎn)換為電能。

發(fā)光二極管用于照明目的。

齊納二極管用作穩(wěn)壓器電路。

隧道二極管用于RF電路。

可變電容二極管用于調(diào)諧目的。