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二極管是電子電路中很常用的元器件，非常常見(jiàn)，二極管具有正向?qū)?，反向截止的特性?/p>
在二極管的正向端(正極)加正電壓，負(fù)向端(負(fù)極)加負(fù)電壓，二極管導(dǎo)通，有電流流過(guò)二極管。在二極管的正向端(正極)加負(fù)電壓，負(fù)向端(負(fù)極)加正電壓，二極管截止，沒(méi)有電流流過(guò)二極管。這就是所說(shuō)的二極管的單向?qū)ㄌ匦?。下面解釋為什么二極管會(huì)單向?qū)ā?/p>
二極管的單向?qū)щ娦?/p>
二極管是由PN結(jié)組成的，即P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，因此PN結(jié)的特性導(dǎo)致了二極管的單向?qū)щ娞匦?。PN結(jié)如圖1所示。
圖1 PN結(jié)示意圖
在P型和N型半導(dǎo)體的交界面附近，由于N區(qū)的自由電子濃度大，于是帶負(fù)電荷的自由電子會(huì)由N區(qū)向電子濃度低的P區(qū)擴(kuò)散;擴(kuò)散的結(jié)果使PN結(jié)中靠P區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，靠N區(qū)一側(cè)帶正電，形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，即PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多數(shù)載流子的繼續(xù)擴(kuò)散，又稱(chēng)為阻擋層。
PN結(jié)詳解
二極管的單向?qū)щ娞匦杂猛竞軓V，到底是什么原因讓電子如此聽(tīng)話(huà)呢?它的微觀機(jī)理是什么呢?這里簡(jiǎn)單形象介紹一下。
假設(shè)有一塊P型半導(dǎo)體(用黃色代表空穴多)和一塊N型半導(dǎo)體(用綠色代表電子多)，它們自然狀態(tài)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(dǎo)體
把它們結(jié)合在一起，就形成PN結(jié)。邊界處N型半導(dǎo)體的電子自然就會(huì)跑去P型區(qū)填補(bǔ)空穴，留下失去電子而顯正電的原子。相應(yīng)P型區(qū)邊界的原子由于得到電子而顯負(fù)電，于是就在邊界形成一個(gè)空間電荷區(qū)。為什么叫“空間電荷區(qū)”?是因?yàn)檫@些電荷是微觀空間內(nèi)無(wú)法移動(dòng)的原子構(gòu)成的。
空間電荷區(qū)形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由N到P，這個(gè)電場(chǎng)阻止了后面的電子繼續(xù)過(guò)來(lái)填補(bǔ)空穴，因?yàn)檫@時(shí)P型區(qū)的負(fù)空間電荷是排斥電子的。電子和空穴的結(jié)合會(huì)越來(lái)越慢，最后達(dá)到平衡，相當(dāng)于載流子耗盡了，所以空間電荷區(qū)也叫耗盡層。這時(shí)PN結(jié)整體還呈電中性，因?yàn)榭臻g電荷有正有負(fù)互相抵消。如圖3所示。
圖3 PN結(jié)形成內(nèi)建電場(chǎng)
外加正向電壓，電場(chǎng)方向由正到負(fù)，與內(nèi)建電場(chǎng)相反，削弱了內(nèi)建電場(chǎng)，所以二極管容易導(dǎo)通。綠色箭頭表示電子流動(dòng)方向，與電流定義的方向相反。如圖4所示。
圖4 正向?qū)顟B(tài)
外加反向電壓，電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)相同，增強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，所以二極管不容易導(dǎo)通。如圖5所示。當(dāng)然，不導(dǎo)通也不是絕對(duì)的，一般會(huì)有很小的漏電流。隨著反向電壓如果繼續(xù)增大，可能造成二極管擊穿而急劇漏電。
圖5 反向不導(dǎo)通狀態(tài)
圖6是二極管的電流電壓曲線(xiàn)供參考。
圖6 二極管電流電壓曲線(xiàn)
圖7形象的展示了不同方向二極管為什么能導(dǎo)通和不能導(dǎo)通，方便理解。
圖7 不同方向?qū)ㄐЧ煌?/p>
生活中單向?qū)ǖ睦右膊簧?，比如地鐵進(jìn)站口的單向閘機(jī)，也相當(dāng)于二極管的效果：正向?qū)ǎ聪虿粚?dǎo)通，如果硬要反向通過(guò)，可能就會(huì)因?yàn)樘罅Α胺聪驌舸逼茐拈l機(jī)了。