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[導讀]二極管是電子電路中很常用的元器件,非常常見,二極管具有正向導通,反向截止的特性。

二極管是電子電路中很常用的元器件,非常常見,二極管具有正向導通,反向截止的特性。


在二極管的正向端(正極)加正電壓,負向端(負極)加負電壓,二極管導通,有電流流過二極管。在二極管的正向端(正極)加負電壓,負向端(負極)加正電壓,二極管截止,沒有電流流過二極管。這就是所説的二極管的單向導通特性。下面解釋為什麼二極管會單向導通。


二極管的單向導電性


二極管是由 PN 結組成的,即 P 型半導體和 N 型半導體,因此 PN 結的特性導致了二極管的單向導電特性。PN 結如圖 1 所示。

圖 1 :PN 結示意圖
  
在 P 型和 N 型半導體的交界面附近,由於 N 區的自由電子濃度大,於是帶負電荷的自由電子會由 N 區向電子濃度低的 P 區擴散;擴散的結果使 PN 結中靠 P 區一側帶負電,靠 N 區一側帶正電,形成由 N 區指向 P 區的電場,即 PN 結內電場。內電場將阻礙多數載流子的繼續擴散,又稱為阻擋層。


PN 結詳解

二極管的單向導電特性用途很廣,到底是什麼原因讓電子如此聽話呢?它的微觀機理是什麼呢?這裏簡單形象介紹一下。
  
假設有一塊 P 型半導體(用黃色代表空穴多)和一塊 N 型半導體(用綠色代表電子多),它們自然狀態下分別都是電中性的,即不帶電。如圖 2 所示。





圖 2 :P 型和 N 型半導體
  
把它們結合在一起,就形成 PN 結。邊界處 N 型半導體的電子自然就會跑去 P 型區填補空穴,留下失去電子而顯正電的原子。相應 P 型區邊界的原子由於得到電子而顯負電,於是就在邊界形成一個空間電荷區。為什麼叫“空間電荷區”?是因為這些電荷是微觀空間內無法移動的原子構成的。
  
空間電荷區形成一個內建電場,電場方向由 N 到 P,這個電場阻止了後面的電子繼續過來填補空穴,因為這時 P 型區的負空間電荷是排斥電子的。電子和空穴的結合會越來越慢,最後達到平衡,相當於載流子耗盡了,所以空間電荷區也叫耗盡層。這時 PN 結整體還呈電中性,因為空間電荷有正有負互相抵消。如圖 3 所示。

圖 3 :PN 結形成內建電場
  
加正向電壓,電場方向由正到負,與內建電場相反,削弱了內建電場,所以二極管容易導通。 綠色箭頭表示電子流動方向,與電流定義的方向相反。 如圖 4 所示。
圖 4 :正向導通狀態
  
外加反向電壓,電場方向與內建電場相同,增強了內建電場,所以二極管不容易導通。如圖 5 所示。當然,不導通也不是絕對的,一般會有很小的漏電流。隨着反向電壓如果繼續增大,可能造成二極管擊穿而急劇漏電。

圖 5 :反向不導通狀態
 
圖 6 是二極管的電流電壓曲線供參考。


圖 6 :二極管電流電壓曲線
  
圖 7 形象的展示了不同方向二極管為什麼能導通和不能導通,方便理解。



圖 7 :不同方向導通效果不同
  
生活中單向導通的例子也不少,比如地鐵進站口的單向閘機,也相當於二極管的效果:正向導通,反向不導通,如果硬要反向通過,可能就會因為太大力“反向擊穿”破壞閘機了。

END


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