基础电子学 - 二极管

了解了各种组件之后，让我们关注电子领域的另一个重要组件，即二极管。半导体二极管是具有PN结的两端电子元件。这也称为整流器。

阳极（二极管的正极端子）用A表示，阴极（负极端子）用K表示。要知道实际二极管的阳极和阴极，可以在二极管上画一条细线，表示阴极，另一端表示阳极。

正如我们已经讨论过 P 型和 N 型半导体及其载流子的Behave，现在让我们尝试将这些材料连接在一起，看看会发生什么。

二极管的形成

如果P型和N型材料彼此靠近，它们就会结合形成结，如下图所示。

P型材料以空穴作为多数载流子，N型材料以电子作为多数载流子。当异性电荷吸引时，P型中很少有空穴倾向于进入n侧，而N型中很少有电子倾向于进入P侧。

当它们都向结移动时，空穴和电子彼此重新结合以中和并形成离子。现在，在这个结中，存在一个形成正离子和负离子的区域，称为PN结或结势垒，如图所示。

P 侧形成负离子，N 侧形成正离子，导致 PN 结两侧形成狭窄的带电区域。该区域现在没有可移动的载流子。这里存在的离子是静止的，并且在它们之间保持一个空间区域，没有任何电荷载流子。

由于该区域充当 P 型和 N 型材料之间的势垒，因此也称为势垒结。这有另一个名称称为耗尽区域，意味着它会耗尽这两个区域。由于离子的形成，跨结处会产生电势差 VD，称为势垒，因为它阻止空穴和电子通过结进一步移动。

二极管的偏置

当二极管或任何两端元件连接在电路中时，对于给定的电源，它具有两个偏置条件。它们是正向偏置条件和反向偏置条件。让我们详细了解它们。

正向偏置条件

当二极管连接在电路中时，其阳极连接到电源的正极端子，阴极连接到电源的负极端子，则这种连接被称为正向偏置条件。这种连接使电路越来越正向偏置，有助于更好的传导。二极管在正向偏置条件下表现良好。

反向偏置条件

当二极管连接在电路中时，其阳极连接到电源的负极端子，阴极连接到电源的正极端子，则这种连接被称为反向偏置条件。这种连接使电路越来越反向偏置，有助于最大限度地减少和防止导通。二极管不能在反向偏置条件下导通。

现在让我们尝试了解如果二极管在正向偏置和反向偏置条件下连接会发生什么。

在正向偏置下工作

当外部电压施加到二极管以消除势垒并允许电流流动时，称为正向偏置。当阳极和阴极分别连接到正极和负极端子时，P 型中的空穴和 N 型中的电子倾向于移动穿过结，打破势垒。由此存在电流的自由流动，几乎消除了势垒。

利用正极端子对空穴和负极端子对电子提供的排斥力，在结处发生复合。电源电压应足够高，以迫使电子和空穴移动穿过势垒并穿过势垒以提供正向电流。

正向电流是二极管在正向偏置条件下工作时产生的电流，用I _f表示。

在反向偏置下工作

当外部电压施加到二极管上，从而增加势垒并限制电流流动时，称为反向偏置。当阳极和阴极分别连接到负极端子和正极端子时，电子被吸引向正极端子，空穴被吸引向负极端子。因此，两者都将远离势垒，增加结电阻并防止任何电子穿过结。

下图解释了这一点。还绘制了不施加场时和施加一些外部场时的传导图。

随着反向偏压的增加，结中几乎没有少数载流子穿过结。该电流通常可以忽略不计。当温度恒定时，该反向电流几乎恒定。但是，当反向电压进一步增加时，就会出现称为反向击穿的点，此时电流会流过结。这种高反向电流会损坏器件。

反向电流是二极管在反向偏置条件下工作时产生的电流，用I _r表示。因此，二极管在反向偏置条件下提供高电阻路径并且不导通，而在正向偏置条件下提供低电阻路径并且导通。因此我们可以得出结论，二极管是一种单向器件，在正向偏压下导电，在反向偏压下充当绝缘体。这种Behave使其充当整流器，将交流电转换为直流电。

峰值反向电压

峰值反向电压简称为PIV。它规定了反向偏置时施加的最大电压。峰值反向电压可以定义为“二极管可以承受而不被损坏的最大反向电压”。因此，在反向偏置条件下考虑该电压。它表示二极管如何在反向偏置下安全运行。

二极管的用途

二极管用于阻止一个方向（即正向）的电流流动以及阻止反向的电流流动。二极管的这一原理使其可以用作整流器。

对于允许电流在一个方向流动但在另一个方向停止流动的电路，整流二极管是最佳选择。因此，输出将为直流，去除交流分量。半波和全波整流器等电路是使用二极管制成的，可以在电子电路教程中学习。

二极管也用作开关。它有助于更快地打开和关闭应以较快速率发生的输出。

二极管的 V - I 特性

PN结二极管的实际电路布置如下图所示。电流表串联，电压表并联，电源通过可变电阻控制。

在操作过程中，当二极管处于正向偏置状态时，在某个特定电压下，势垒被消除。这样的电压称为截止电压或拐点电压。如果正向电压超过极限，正向电流呈指数级上升，如果进一步增大，器件会因过热而损坏。

下图显示了正向和反向偏置条件下二极管的导通状态。

在反向偏置过程中，存在少数载流子产生的电流，称为“反向电流”。随着反向电压的增加，该反向电流也会增加，并在某一点突然击穿，导致结的永久破坏。