二極管的工作原理與特性介紹

在所有的電子電路中幾乎都要用到半導體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，是誕生最早的半導體器件之一;早期的二極管包含“貓須晶體("Cat's Whisker" Crystals)”以及真空管(英國稱為“熱游離閥(Thermionic Valves)”)。現今最普遍的二極管大多是使用半導體材料如硅或鍺。下面一起來了解一下：

1.概念

二極管(英語：Diode)是電子元件當中，一種具有兩個電極的裝置，只允許電流由單一方向流過，許多的使用是應用其整流的功能。而變容二極管(Varicap Diode)則用來當作電子式的可調電容器。大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流(Rectifying)”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過(稱為順向偏壓)，反向時阻斷 (稱為逆向偏壓)。因此，二極管可以想成電子版的逆止閥。

圖1 二極管

2.基本組成

二極管由管芯、管殼和兩個電極構成。管芯就是一個PN結，在PN結的兩端各引出一個引線，并用塑料、玻璃或金屬材料作為封裝外殼，就構成了晶體二極管，如下圖所示。P區的引出的電極稱為正極或陽極，N區的引出的電極稱為負極或陰極。

圖2 二極管結構示意圖及電路符號

3.工作原理

晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n?結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。

當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。

當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。

當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。pn結的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。

4.伏安特性

半導體二極管的核心是PN結，它的特性就是PN結的特性——單向導電性。常利用伏安特性曲線來形象地描述二極管的單向導電性。

若以電壓為橫坐標，電流為縱坐標，用作圖法把電壓、電流的對應值用平滑的曲線連接起來，就構成二極管的伏安特性曲線，如下圖所示(圖中虛線為鍺管的伏安特性，實線為硅管的伏安特性)。

圖3 二極管的伏安特性曲線

下面對二極管伏安特性曲線加以說明：

4.1正向特性

二極管兩端加正向電壓時，就產生正向電流，當正向電壓較小時，正向電流極小(幾乎為零)，這一部分稱為死區，相應的A(A′)點的電壓稱為死區電壓或門檻電壓(也稱閾值電壓)，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V，如圖中OA(OA′)段。

當正向電壓超過門檻電壓時，正向電流就會急劇地增大，二極管呈現很小電阻而處于導通狀態。這時硅管的正向導通壓降約為0.6~0.7V，鍺管約為0.2~0.3V，如圖中AB(A′B′)段。

二極管正向導通時，要特別注意它的正向電流不能超過最大值，否則將燒壞PN結。

4.2反向特性

二極管兩端加上反向電壓時，在開始很大范圍內，二極管相當于非常大的電阻，反向電流很小，且不隨反向電壓而變化。此時的電流稱之為反向飽和電流IR,見圖中OC(OC′)段。

4.3反向擊穿特性

二極管反向電壓加到一定數值時，反向電流急劇增大，這種現象稱為反向擊穿。此時對應的電壓稱為反向擊穿電壓，用UBR表示，如圖1.11中CD(C′D′)段。

4.4溫度對特性的影響

由于二極管的核心是一個PN結，它的導電性能與溫度有關，溫度升高時二極管正向特性曲線向左移動，正向壓降減小;反向特性曲線向下移動，反向電流增大。

圖4 二極管外形

本文介紹了二極管的概念、組成、基本原理以及特性。目前二極管已經完全融入到我們的日常生活當中，最常接觸到的就是LED燈，不僅發光效果好，并且還可以有效保護眼睛，另外二極管的類型還有：檢波二極管、整流二極管、阻尼二極管、開關二極管、續流二極管等等。

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