那是1947年的一個(gè)冬天，貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位科學(xué)家發(fā)明了三極管，改變了世界，推動(dòng)了的半導(dǎo)體電子工業(yè)。于是10年后又一個(gè)冬天，哥仨一起獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而這三極管可不是被憑空發(fā)明出來(lái)的，從結(jié)構(gòu)上看，她是由兩個(gè)二極管組成，絕逼二極管“干兒子”。今天電子產(chǎn)品世界小編為您帶來(lái) “干爹”二極管的傳奇故事。

    1 二極管=PN結(jié)+馬甲兒

    在半導(dǎo)體性能被發(fā)現(xiàn)后，二極管成為了世界上種半導(dǎo)體器件，目前常見的結(jié)構(gòu)是，在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管，甚至可以說(shuō)二極管實(shí)際上就是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的，因此二極管工作原理約等于PN的工作原理，小編從源頭講講二極管(PN結(jié))到底是怎么來(lái)的?

    1.1 二極管PN節(jié)的好哥倆：P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體

    我們一般根據(jù)導(dǎo)電能力(電阻率)的不同將物體來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。更通俗地講，完全純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。主要常見代表有硅、鍺這兩種元素的單晶體結(jié)構(gòu)。但實(shí)際半導(dǎo)體不能的純凈，這類半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

    P型半導(dǎo)體

    如果我們?cè)诩児柚袚饺肷僭S的硼(外層有3個(gè)電子)，就反而少了1個(gè)電子，而形成一個(gè)空穴，這樣就形成P型半導(dǎo)體(少了1個(gè)帶負(fù)電荷的原子，可視為多了1個(gè)正電荷)。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

    在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成;自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

    N型半導(dǎo)體

    如果在純硅中摻雜少許的砷或磷(外層有5個(gè)電子)，就會(huì)多出1個(gè)自由電子，這樣就形成N型半導(dǎo)體，因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。

    在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

    1.2 PN結(jié)=P∩N(注：“∩”交集)

    在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體另一邊形成P型半導(dǎo)體后，兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

    PN結(jié)的每端都帶電子，這樣排列使電流只能從一個(gè)方向流動(dòng)。當(dāng)沒(méi)有電壓通過(guò)二極管時(shí)，電子就沿著過(guò)渡層之間的匯合處從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，從而形成一個(gè)耗盡區(qū)。在損耗區(qū)中，半導(dǎo)體物質(zhì)會(huì)回復(fù)到它原來(lái)的絕緣狀態(tài)--所有的這些“電子空穴”都會(huì)被填滿，所以就沒(méi)有自由電子，也就沒(méi)有電流流動(dòng)。

    2二極管PN節(jié)的單向?qū)щ娞匦?--重要!

    2.1二極管小實(shí)驗(yàn)

    在電子電路中，將二極管的正極(P區(qū))接在高電位端，負(fù)極(N區(qū))接在低電位端，二極管就會(huì)導(dǎo)通，這種連接方式稱為正向偏置。必須說(shuō)明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過(guò)二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V)以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變(鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V)，稱為二極管的“正向壓降”。

    將二極管的正極(P區(qū))接在低電位端，負(fù)極(N區(qū))接在高電位端，此時(shí)二極管中幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時(shí)，仍然會(huì)有微弱的反向電流流過(guò)二極管，稱為漏電流。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會(huì)急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦?，此時(shí)二極管被擊穿,這就是二極管的反向擊穿特性，將在下一節(jié)介紹。

    2.2 二極管上升到理論

    為了除掉耗盡區(qū)，就必須使N型向P型移動(dòng)和空穴應(yīng)反向移動(dòng)。為了達(dá)到目的，將PN結(jié)N極連接到電源負(fù)極，P極連接到正極。這時(shí)在N型半導(dǎo)體的自由電子會(huì)被負(fù)極電子排斥并吸引到正極電子，在P型半導(dǎo)體的電子空穴就移向另一方向。當(dāng)電壓在電子之間足夠高的時(shí)候，在耗盡區(qū)的電子將會(huì)在它的電子空穴中和再次開始自由移動(dòng)，耗盡區(qū)消失，電流流通過(guò)二極管，如圖4所示。

    若P極接到電源負(fù)極，N型接到正極。這時(shí)電流將不會(huì)流動(dòng)。N型半導(dǎo)體的負(fù)極電子被吸引到正極電子。P型半導(dǎo)體的正極電子空穴被吸引到負(fù)極電子。因?yàn)殡娮涌昭ê碗娮佣枷蝈e(cuò)誤的方向移動(dòng)，所以就沒(méi)有電流流通過(guò)匯合處，耗盡區(qū)增加，如圖5所示。

    PN結(jié)V-I 特性表達(dá)式(伏安特性曲線)

    其中，IS ——反向飽和電流;

    VT ——溫度的電壓當(dāng)量;

    且在常溫下(T=300K)時(shí)，

    2.3總結(jié)

    PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流;

    PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

    PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/font>

    3二極管PN節(jié)的反向擊穿—大大的有用!

    當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。發(fā)生反向擊穿時(shí)，在反向電流很大的變化范圍內(nèi)，PN結(jié)兩端電壓幾乎不變，如圖7所示。反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，PN結(jié)熱擊穿后電流很大，電壓又很高，消耗在結(jié)上的功率很大，容易使PN結(jié)發(fā)熱，把PN結(jié)燒毀。熱擊穿是不可逆的。PN結(jié)電擊穿從其產(chǎn)生原因又可分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。

    雪崩擊穿

    當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨著增強(qiáng)。通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴，在電場(chǎng)作用下獲得的能量增大，在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子和空穴，將不斷地與晶體原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子和空穴的能量足夠大時(shí)，通過(guò)這樣的碰撞，可使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子—空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的電子和空穴與原有的電子和空穴一樣，在電場(chǎng)作用下，也向相反的方向運(yùn)動(dòng)，重新獲得能量，又可通過(guò)碰撞，再產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，這就是載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增大，于是PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。

    雪崩擊穿多發(fā)生在雜質(zhì)濃度較低的二極管，一般需要比較高的電壓(>6V)，擊穿電壓與濃度成反比。

    齊納擊穿

    在加有較高的反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存在一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，它能夠破壞共價(jià)鍵將束縛電子分離出來(lái)造成電子—空穴對(duì)，形成較大的反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場(chǎng)強(qiáng)度約為2*105V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達(dá)到，因?yàn)殡s質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度(即雜質(zhì)離子)也大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場(chǎng)強(qiáng)度就可能很高。一般整流二極管摻雜濃度沒(méi)有這么高，它在電擊穿中多數(shù)是雪崩擊穿造成的。

    齊納擊穿多數(shù)出現(xiàn)在雜質(zhì)濃度較高的二極管，如穩(wěn)壓管(齊納二極管)。

    必須指出，上述兩種電擊穿過(guò)程是可逆的，當(dāng)加在穩(wěn)壓管兩端的反向電壓降低后，管子仍可以恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。但它有一個(gè)前提條件，就是反向電流和反向電壓的乘積不超過(guò)PN結(jié)容許的耗散功率，超過(guò)了就會(huì)因?yàn)闊崃可⒉怀鋈ザ筆N結(jié)溫度上升，直到過(guò)熱而燒毀，這種現(xiàn)象就是熱擊穿。所以熱擊穿和電擊穿的概念是不同的。電擊穿往往可為人們所利用(如穩(wěn)壓管)，而熱擊穿則是必須盡量避免的。

    小問(wèn)題

    1 PN結(jié)的反向擊穿電壓是多少?

    采取適當(dāng)?shù)膿诫s工藝，將硅PN結(jié)的雪崩擊穿電壓可控制在8～1000V。而齊納擊穿電壓低于5V。在5～8v之間麗種擊穿可能同時(shí)發(fā)生。

    2 二極管三極管和穩(wěn)壓管是否一樣呢?

    不一樣,BC結(jié)的反向擊穿電壓低的幾十伏,高的數(shù)百伏,但有一點(diǎn)是一樣的,就是NPN管的BE結(jié)反向擊穿電壓都是6V左右,因此NPN管的BE結(jié)可當(dāng)6V穩(wěn)壓管用。

    補(bǔ)充：應(yīng)該是所有硅材料管(PNP和NPN)的BE結(jié)都有反向擊穿電壓都是6V這特性，利用這特性可鑒別管子的C和E腳，用10K檔分別測(cè)BC和BE的反向電阻，擊穿的是BE結(jié)。

    4 二極管PN結(jié)的極間電容

    PN結(jié)的P型和N型兩快半導(dǎo)體之間構(gòu)成一個(gè)電容量很小的電容，叫做“極間電容”(如圖所示)。由于電容抗隨頻率的增高而減小。所以，PN結(jié)工作于高頻時(shí)，高頻信號(hào)容易被極間電容或反饋而影響PN結(jié)的工作。但在直流或低頻下工作時(shí)，極間電容對(duì)直流和低頻的阻抗很大，故一般不會(huì)影響PN結(jié)的工作性能。PN結(jié)的面積越大，極間電容量越大，影響也約大，這就是面接觸型二極管(如整流二極管)和低頻三極管不能用于高頻工作的原因。

    5 數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試二極管好壞

    二極管比較容易損壞的元件，其燒壞容易造成線路短路或斷路的情況，影響電器正常工作，因此需要掌握測(cè)試二極管好壞的方法。

    關(guān)于如何使用數(shù)字萬(wàn)用表，請(qǐng)參考小編的《數(shù)字萬(wàn)用表使用方法》，這里主要介紹數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試二極管好壞。

    1) 辨別出二極管的正負(fù)極，有白線的一端為負(fù)極，另一端為正極。

    2) 將萬(wàn)用表上的旋鈕撥到通斷檔位，并將紅黑表筆插在萬(wàn)用表的正確位置。

    3) 將紅表筆接二極管正極，黑表筆接負(fù)極。然后觀察讀數(shù)，如果滿溢(即顯示為1)，則二極管已壞。若有讀數(shù)，則交換表筆，若還有讀數(shù)而不滿溢，則二極管壞。

    4) 如果是發(fā)光二極管，若二極管正常，則可以看到微弱的亮光，長(zhǎng)腳為正極。

    6 二極管的主要參數(shù)

    1 額定正向工作電流

    二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)允許通過(guò)的正向電流值。因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)管子時(shí)會(huì)使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過(guò)容許限度(硅管為140左右，鍺管為90左右)時(shí)，就會(huì)使管芯過(guò)熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過(guò)二極管額定正向工作電流值。

    2 反向工作電壓

    加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時(shí)，會(huì)將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰?。為了保證使用安全，規(guī)定了反向工作電壓值。

    3 反向電流

    二極管在規(guī)定的溫度和反向電壓作用下，流過(guò)二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶谩Ｖ档米⒁獾氖欠聪螂娏髋c溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。

    4 工作頻率fM(MC)

    二極管能承受的頻率。通過(guò)PN結(jié)交流電頻率高于此值，二極管接不能正常工作。

    5 反向工作電壓VRM(V)

    二極管長(zhǎng)期正常工作時(shí)，所允許的反壓。若越過(guò)此值，PN結(jié)就有被擊穿的可能，對(duì)于交流電來(lái)說(shuō)，反向工作電壓也就是二極管的工作電壓。

    6 整流電流IOM(mA)

    二極管能長(zhǎng)期正常工作時(shí)的正向電流。因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)二極管時(shí)就要發(fā)熱，如果正向電流越過(guò)此值，二極管就會(huì)有燒壞的危險(xiǎn)。所以用二極管整流時(shí)，流過(guò)二極管的正向電流(既輸出直流)不允許超過(guò)整流電流。

    文章至此，二極管的工作原理就介紹完了。