二极管是电子电路中很常用的元器件,非常常见,二极管具有正向导通,反向截止的特性。

 

在二极管的正向端(正极)加正电压,负向端(负极)加负电压,二极管导通,有电流流过二极管。在二极管的正向端(正极)加负电压,负向端(负极)加正电压,二极管截止,没有电流流过二极管。这就是所说的二极管的单向导通特性。下面解释为什么二极管会单向导通。


二极管的单向导电性
二极管是由 PN 结组成的,即 P 型半导体和 N 型半导体,因此 PN 结的特性导致了二极管的单向导电特性。PN 结如图 1 所示。

 


图 1 :PN 结示意图


  
在 P 型和 N 型半导体的交界面附近,由于 N 区的自由电子浓度大,于是带负电荷的自由电子会由 N 区向电子浓度低的 P 区扩散;扩散的结果使 PN 结中靠 P 区一侧带负电,靠 N 区一侧带正电,形成由 N 区指向 P 区的电场,即 PN 结内电场。内电场将阻碍多数载流子的继续扩散,又称为阻挡层。


PN 结详解

二极管的单向导电特性用途很广,到底是什么原因让电子如此听话呢?它的微观机理是什么呢?这里简单形象介绍一下。


  
假设有一块 P 型半导体(用黄色代表空穴多)和一块 N 型半导体(用绿色代表电子多),它们自然状态下分别都是电中性的,即不带电。如图 2 所示。



图 2 :P 型和 N 型半导体


  
把它们结合在一起,就形成 PN 结。边界处 N 型半导体的电子自然就会跑去 P 型区填补空穴,留下失去电子而显正电的原子。相应 P 型区边界的原子由于得到电子而显负电,于是就在边界形成一个空间电荷区。为什么叫“空间电荷区”?是因为这些电荷是微观空间内无法移动的原子构成的。


  
空间电荷区形成一个内建电场,电场方向由 N 到 P,这个电场阻止了后面的电子继续过来填补空穴,因为这时 P 型区的负空间电荷是排斥电子的。电子和空穴的结合会越来越慢,最后达到平衡,相当于载流子耗尽了,所以空间电荷区也叫耗尽层。这时 PN 结整体还呈电中性,因为空间电荷有正有负互相抵消。如图 3 所示。

 


图 3 :PN 结形成内建电场


  
外加正向电压,电场方向由正到负,与内建电场相反,削弱了内建电场,所以二极管容易导通。绿色箭头表示电子流动方向,与电流定义的方向相反。如图 4 所示。



图 4 :正向导通状态


  
外加反向电压,电场方向与内建电场相同,增强了内建电场,所以二极管不容易导通。如图 5 所示。当然,不导通也不是绝对的,一般会有很小的漏电流。随着反向电压如果继续增大,可能造成二极管击穿而急剧漏电。

 


图 5 :反向不导通状态


 
图 6 是二极管的电流电压曲线供参考。



图 6 :二极管电流电压曲线


  
图 7 形象的展示了不同方向二极管为什么能导通和不能导通,方便理解。



图 7 :不同方向导通效果不同


  
生活中单向导通的例子也不少,比如地铁进站口的单向闸机,也相当于二极管的效果:正向导通,反向不导通,如果硬要反向通过,可能就会因为太大力“反向击穿”破坏闸机了。