二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件 。它具有单向导电性能, 即给二极管阳极和阴极加上正向电压时,二极管导通。 当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管截止。 因此,二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开  。

 

二极管的工作原理:

二极管的主要原理就是利用PN结的单向导电性,在PN结上加上引线和封装就成了一个二极管。
晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。


当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。


当外加的反向电压高到一定程度时,PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。PN结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。

 

二极管的主要应用:


几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体二极管。半导体二极管在电路中的使用能够起到保护电路,延长电路寿命等作用。半导体二极管的发展,使得集成电路更加优化,在各个领域都起到了积极的作用。二极管在集成电路中的作用很多,维持着集成电路正常工作。下面简要介绍二极管在以下四种电路中的作用。

 

二极管的作用

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(1)开关电路
在数字、集成电路中利用二极管的单向导电性实现电路的导通或断开,这一技术已经得到广泛应用。开关二极管可以很好的保护的电路,防止电路因为短路等问题而被烧坏,也可实现传统开关的功能。开关二极管还有一个特性就是开关的速度很快。这是传统开关所无法比拟的。


(2)限幅电路
在电子电路中,常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内,有选择地传输一部分信号。大多数二极管都可作为限幅使用,但有些时候需要用到专用限幅二极管,如保护仪表时。


(3)稳压电路
在稳压电路中通常需要使用齐纳二极管,它是一种利用特殊工艺制造的面结型硅把半导体二极管,这种特殊二极管杂质浓度比较高,空间电荷区内的电荷密度大,容易形成强电场。当齐纳二极管两端反向电压加到某一值,反向电流急增,产生反向击穿。


(4)变容电路
在变容电路中常用变容二极管来实现电路的自动频率控制、调谐、调频以及扫描振荡等。


(5)工业产品应用
经过多年来科学家们不懈努力,半导体二极管发光的应用已逐步得到推广,发光二极管广泛应用于各种电子产品的指示灯、光纤通信用光源、各种仪表的指示器以及照明。发光二极管的很多特性是普通发光器件所无法比拟的,主要具有特点有:安全、高效率、环保、寿命长、响应快、体积小、结构牢固。因此,发光二极管是一种符合绿色照明要求的光源。


发光二极管主要应用:


(1)电子用品中的应用
发光二极管在电子用品中一般用作屏背光源或作显示、照明应用。从大型的液晶电视、电脑显示屏到媒体播放器MP3、MP4以及手机等的显示屏都将发光二极管用作屏背光源。

(2)汽车以及大型机械中的应用
发光二极管在汽车以及大型机械中得到广泛应用。汽车以及大型机械设备中的方向灯、车内照明、机械设备仪表照明、大前灯、转向灯、刹车灯、尾灯等都运用了发光二极管。主要是因为发光二极管的响应快、使用寿命长(一般发光二极管的寿命比汽车以及大型机械寿命长)。

(3)煤矿中的应用
由于发光二极管较普通发光器件具有效率高、能耗小、寿命长、光度强等特点,因此矿工灯以及井下照明等设备使用了发光二极管。虽然还未完全普及,但在不久将得到普遍应用,发光二极管将在煤矿应用中取代普通发光器件。

(4)城市的装饰灯
在当今繁华的商业时代,霓虹灯是城市繁华的重要标志,但霓虹灯存在很多缺点,比如寿命不够长等。因此,用发光二极管替代霓虹灯有着很多优势,因为发光二极管与霓虹灯相比除了寿命长,还有节能、驱动和控制简易、无需维护等特点。发光二极管替代霓虹灯将是照明设备发展的必然结果。


PN结形成原理:P型半导体是在本征半导体(一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体)掺入少量三价元素杂质,如硼等。

PN结形成原理

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因硼原子只有三个价电子,它与周围的硅原子形成共价键,因缺少一个电子,在晶体中便产生一个空位,当相邻共价键上的电子获得能量时就有可能填补这个空位,使硼原子成了不能移动的负离子,而原来的硅原子的共价键则因缺少一个电子,形成了空穴,但整个半导体仍呈中性。这种P型半导体中以空穴导电为主,空穴为多数载流子,自由电子为少数载流子。

PN结形成原理

(图片来源于互联网)


N型半导体形成的原理和P型原理相似。在本征半导体中掺入五价原子,如磷等。掺入后,它与硅原子形成共价键,产生了自由电子。在N型半导体中,电子为多数载流子,空穴为少数载流子。

因此,在本征半导体的两个不同区域掺入三价和五价杂质元素,便形成了P型区和N型区,根据N型半导体和P型半导体的特性,可知在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差异,电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散,它们的扩散使原来交界处的电中性被破坏。


PN结单向导电性:在PN结外加正向电压V,在这个外加电场的作用下,PN结的平衡状态被打破,P区中的空穴和N区的电子都往PN结方向移动,空穴和PN结P区的负离子中和,电子和PN结N区的正离子中和,这样就使PN结变窄。随着外加电场的增加,扩散运动进一步增强,漂移运动减弱。当外加电压超过门槛电压,PN结相当于一个阻值很小的电阻,也就是PN结导通。