二極管工作原理

　　圖7.PN結(jié)的反向擊穿

　　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 二極管工作原理：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 二極管工作原理：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。

　　原理：又叫齊納二極管，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件.在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定

　　用途：穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)串聯(lián)就可獲得更高的穩(wěn)定電壓。

　　2) 發(fā)光二極管(LED)

       電路符號(hào)：在普通二極管電路符號(hào)的邊上加兩個(gè)向外發(fā)射的箭頭。 

       原理：利用自由電子和空穴復(fù)合時(shí)能產(chǎn)生光的半導(dǎo)體制成，采用不同的材料，可分別得到紅、黃、綠、橙色光和紅外光。常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化鎵、磷化鎵等。制作材料決定光的顏色(光譜的波長(zhǎng))。

　　特點(diǎn)：通以正向電流發(fā)光，光亮度隨著電流的增大而增強(qiáng)，工作電流為幾個(gè)毫安到幾十毫安，典型工作電流為10mA左右。正向?qū)妷狠^大。

　　用途：一般作為電子產(chǎn)品的指示燈

　　3) 光電二極管

　　電路符號(hào)：在普通二極管電路符號(hào)的邊上加兩個(gè)朝向管子的箭頭。

       原理：普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流;有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件

　　特點(diǎn)：無(wú)光照時(shí)與普通二極管一樣具有單向?qū)щ娦?。使用時(shí)，光電二極管的PN結(jié)應(yīng)工作在反向偏置狀態(tài)，在光信號(hào)的照射下，反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升(這時(shí)的反向電流叫光電流)。光電流也與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。

　　用途：用于測(cè)量光照強(qiáng)度、做光電池。

　　4) 變?nèi)荻O管

　　電路符號(hào)：在普通二極管電路符號(hào)的邊上加一個(gè)電容符號(hào)。

　　原理：當(dāng)外加順向偏壓時(shí)，有大量電流產(chǎn)生，PN(正負(fù)極)結(jié)的耗盡區(qū)變窄，電容變大，產(chǎn)生擴(kuò)散電容效應(yīng);當(dāng)外加反向偏壓時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡電容效應(yīng)。但因加順向偏壓時(shí)會(huì)有漏電流的產(chǎn)生，所以在應(yīng)用上均供給反向偏壓。

　　用途：用于電子調(diào)諧、調(diào)頻、調(diào)相和自動(dòng)控制電路等.

　　5) 肖特基二極管

　　電路符號(hào)：與普通二極管的電路符號(hào)稍有區(qū)別。

　　原理：貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的勢(shì)壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。

　　特點(diǎn)：為反向恢復(fù)時(shí)間極短(可以小到幾納秒)，正向?qū)▔航祪H0.4V左右。

　　用途：多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信號(hào)檢波二極管使用。在通信電源、變頻器等中比較常見(jiàn)。