原创 二极管：PN 结、类型、结构和工作原理

一般来说，所有的电子设备都需要直流电源，但不可能产生直流电，所以我们需要一个替代品来获得一些直流电，因此使用二极管将交流电转换为直流电。二极管是几乎所有电子电路中使用的一种微型电子元件，可使电流仅沿一个方向流动（单向器件). 可以说，使用半导体材料制造电子元件是从二极管开始的。在二极管发明之前有真空管，这两种器件的应用相似，但真空管所占的尺寸会比二极管大得多。与半导体二极管相比，真空管的结构有点复杂并且难以维护。二极管的少数应用是整流、放大、电子开关、将电能转换为光能和将光能转换为电能。

1940 年，在贝尔实验室，拉塞尔·奥尔 (Russell Ohl) 正在研究硅晶体以了解其特性。一天无意中，将有裂纹的硅晶体暴露在阳光下，他发现晶体中有电流流过，后来被称为二极管，这就是半导体时代的 开始。

固体材料一般分为导体、绝缘体和半导体三类。导体具有最大数量的自由电子，绝缘体具有最小数量的自由电子（可忽略不计，因此根本不可能有电流流动），而半导体可以是导体或绝缘体，具体取决于施加在其上的电势。一般使用的半导体是硅和锗。硅是首选，因为它在地球上随处可见，并且提供更好的热范围。

半导体进一步分为本征半导体和非本征半导体两类。

本征半导体：

这些也称为纯半导体，其中载流子（电子和空穴）在室温下数量相等。因此，空穴和电子均等地发生电流传导。

外在半导体：

为了增加材料中空穴或电子的数量，我们选择在硅中添加杂质（除了硅和锗或简单的三价或五价材料）的非本征半导体。这种向纯半导体中添加杂质的过程称为掺杂。

N型半导体：

如果将五价元素（价电子数为五个）添加到 Si 或 Ge 中，则可以使用自由电子。由于电子（带负电荷的载流子）数量更多，因此被称为N 型半导体。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

很少有五价元素是磷、砷、锑和铋。由于这些具有过量的价电子并准备与外部带正电的粒子配对，因此这些元素被称为供体。

P型半导体

同样，如果将硼、铝、铟和镓等三价元素添加到 Si 或 Ge 中，则会产生一个空穴，因为其中的价电子数为三个。由于空穴已准备好接受电子并配对，因此称为受体。由于新形成的材料中空穴数量过多，因此被称为P 型半导体。在 P 型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

现在，如果我们将两种类型的半导体 P 型和 N 型结合在一起，就会形成一种称为PN 结二极管的新器件。由于在 P 型和 N 型材料之间形成结，因此称为 PN 结。

二极管这个词可以解释为“Di”表示两个，“ode”是从电极获得的。由于新形成的元件可以有两个端子或电极（一个连接到 P 型，另一个连接到 N 型），因此称为二极管或 PN结二极管或半导体二极管。

连接P型材料的端子称为阳极，连接N型材料的端子称为阴极。

二极管的符号表示如下。

箭头表示当二极管处于正向偏置模式时流过它的电流，箭头尖端的破折号或块表示来自相反方向的电流阻塞。

我们已经看到二极管是如何用 P 和 N 半导体制成的，但我们需要知道它内部发生了什么以形成一种独特的特性，即只允许一个方向的电流，以及在其结点最初的确切接触点发生了什么。

结形成：

最初，当两种材料连接在一起时（没有施加任何外部电压），N 型中的多余电子和 P 型中的多余空穴将相互吸引并重新结合，形成固定离子（供体离子和受体离子）发生如下图所示。这些固定离子阻止电子或空穴流过它，现在充当两种材料之间的屏障（屏障的形成意味着固定离子扩散到 P 和 N 区域）。现在形成的屏障称为耗尽区。这种情况下耗尽区的宽度取决于材料中的掺杂浓度。

如果两种材料中的掺杂浓度相等，则固定离子同样扩散到 P 和 N 材料中。

如果掺杂浓度彼此不同怎么办？

那么，如果掺杂不同，耗尽区的宽度也会不同。它更多地扩散到轻掺杂区，而较少扩散到重掺杂区。

现在让我们看看在施加适当电压时二极管的行为。

为了让二极管首先导通，我们需要打破路径中形成的势垒。要打破普通二极管内的势垒，应向端子施加至少 +0.7 伏（对于硅）和 +0.3 伏（对于锗）的外部电压。这些电压称为切入电压或偏移电压或断点电压或点火电压或阈值电压。在这些电压非常小之前，电流流过二极管（理想情况下为零）。

如果电池或电压源的正极端子施加到二极管的阳极或 P 区，负极端子施加到二极管的阴极或 N 区，则称其为正向偏置。

由于正向偏置，两个区域中的多数电荷载流子被排斥（因为正电压施加到 P 区域，负电压施加到 N 区域）并进入耗尽区。因此，固定离子返回失去的载流子变为中性并移动到未耗尽区域因此势垒宽度逐渐减小，当施加的电压大于或等于切入电压时，整个势垒被破坏并​​且电子和空穴现在可以自由进入穿过结点，然后形成闭合电路并使电流流动。在这里，我们使用以下动画解释了正向偏置二极管：

正向偏置的二极管充当闭合开关并具有几欧姆的正向电阻（约 20Ω）。

如果电压源的负端子施加到二极管的阳极或 P 区，正极端子施加到二极管的阴极或 N 区，则称为反向偏置。

当施加这样的电压时，两个区域中的多数电荷载流子被吸引到源极，从而产生大量固定离子并进入 P 和 N 区域。因此，耗尽区的宽度也逐渐增加，现在电子和空穴很难穿过结，因此形成开路和电流流动。但是如果我们继续增加电压，在一个点势垒或耗尽区无法抵挡外力，结会击穿，这有时会导致正常的二极管永久损坏。为了克服这个问题，我们可以对这些区域进行大量掺杂并确保二极管安全，这种应用可以在齐纳二极管中看到。

二极管导通时的反向电压称为击穿电压。

由于反向偏置的二极管充当开路开关，其电阻为兆欧量级。在这里，我们使用以下动画解释了反向偏置二极管：

当向二极管施加反向电压时，由于少数电荷载流子，电路中会产生少量电流，通常称为反向饱和电流。这些电流也称为泄漏电流，因为即使二极管开路时，电路中仍存在电流，因此称为泄漏。

许多二极管的结构相似，但所用材料的类型不同。例如，如果我们考虑一个发光二极管，它是由铝、镓和砷化物材料制成的，当它们被激发时会以光的形式释放能量。类似地，考虑了二极管特性（如内部电容、阈值电压等）的变化，并根据这些特性设计了特定的二极管。

在这里，我们解释了各种类型的二极管及其工作原理、符号和应用：

• 齐纳二极管
• 引领
• 激光二极管
• 光电二极管
• 变容二极管
• 肖特基二极管
• 隧道二极管
• PIN二极管等

让我们简单了解一下这些设备的工作原理和结构。

齐纳二极管：

该二极管中的 P 区和 N 区被重掺杂，因此耗尽区非常窄。与普通二极管不同，它的击穿电压非常低，当反向电压大于或等于击穿电压时，耗尽区消失，即使反向电压增加，二极管也会有恒定电压通过。因此，二极管用于调节电压并在适当偏置时保持恒定的输出电压。

齐纳二极管的击穿称为齐纳击穿。这意味着当反向电压施加到齐纳二极管时，结处会产生强电场，足以破坏结内的共价键并导致大电流通过。与雪崩击穿相比，齐纳击穿是在非常低的电压下引起的。

还有另一种类型的击穿，称为雪崩击穿，常见于普通二极管，需要大量的反向电压才能断开结点。它的工作原理是当二极管反向偏置时，小的漏电流通过二极管，当反向电压进一步增加时，漏电流也增加，其速度足以破坏结内的少数共价键，这些新的载流子进一步分解剩余的共价键会导致巨大的漏电流，这可能会永远损坏二极管。

发光二极管 (LED)：

它的结构类似于一个简单的二极管，但半导体的各种组合用于产生不同的颜色。它工作在正向偏置模式。当发生电子空穴复合时，会释放出发光的光子，如果进一步增加正向电压，则会释放更多的光子，并且光强度也会增加，但电压不应超过其阈值，否则 LED 会损坏。

为了产生不同的颜色，组合使用了 AlGaAs（砷化铝镓）- 红色和红外线，GaP（磷化镓）- 黄色和绿色，InGaN（氮化铟镓）- 蓝色和紫外线 LED 等。

对于红外 LED，我们可以通过相机看到它的光。

激光二极管：

激光代表受激辐射光放大。PN 结由两层掺杂的砷化镓形成，结的一端涂有高反射涂层，另一端涂有部分反射涂层。当二极管像 LED 一样正向偏置时，它会释放光子，这些光子会撞击其他原子，从而过度释放光子，当光子撞击反射涂层并再次击回结点时，会释放更多的光子，重复此过程并产生高强度光束光只向一个方向释放。激光二极管需要驱动电路才能正常工作。

激光二极管的符号表示类似于 LED。

光电二极管：

在光电二极管中，通过它的电流取决于施加在 PN 结上的光能。它在反向偏压下运行。如前所述，反向偏置时流过二极管的漏电流很小，这里称为暗电流。由于电流是由于缺乏光（黑暗）而得名。该二极管的构造方式使得当光照射到结时，足以打断电子空穴对并产生增加反向漏电流的电子。

变容二极管：

它也被称为 Varicap（可变电容器）二极管。它以反向偏置模式运行。导电板与绝缘体或电介质的电容器分离的一般定义，当普通二极管反向偏置时，耗尽区的宽度增加，因为耗尽区代表绝缘体或电介质，它现在可以充当电容器。随着反向电压的变化导致P区和N区的分离发生变化，从而导致二极管作为可变电容器工作。

由于电容随着极板之间距离的减小而增加，因此大的反向电压意味着低电容，反之亦然。

肖特基二极管：

N型半导体与金属（金，银）结合，使得二极管中存在高能级电子，这些被称为热载流子，因此该二极管也称为热载流子二极管。它没有少数载流子，也不存在耗尽区，而是存在金属半导体结，当该二极管正向偏置时，它充当导体，但电荷具有高能级，这有助于快速切换，尤其是在数字电路中，这些也是用于微波应用。

隧道二极管：

该二极管中的 P 区和 N 区被重度掺杂，因此耗尽区的存在非常窄。它呈现负阻区，可用作振荡器和微波放大器。当该二极管首先正向偏置时，由于耗尽区较窄，电子隧道穿过它，电流会随着电压的微小变化而迅速增加。当电压进一步增加时，由于结处的电子过多，耗尽区的宽度开始增加，导致正向电流（负电阻区形成的地方）的阻塞，当正向电压进一步增加时，它充当普通二极管。

PIN二极管：

在这个二极管中，P 区和 N 区被本征半导体隔开。当二极管反向偏置时，它充当恒值电容器。在正向偏置条件下，它充当受电流控制的可变电阻。它用于由直流电压控制的微波应用。

其符号表示类似于普通 PN 二极管。

• 稳压电源：实际上不可能产生直流电压，唯一可用的电源类型是交流电压。由于二极管是单向器件，它可用于将交流电压转换为脉动直流电压，并通过进一步的滤波部分（使用电容器和电感器）可以获得近似的直流电压。

• 调谐器电路：在接收器端的通信系统中，由于天线接收空间中所有可用的无线电频率，因此需要选择所需的频率。因此，使用的调谐器电路只不过是带有可变电容器和电感器的电路。在这种情况下，可以使用变容二极管。

• 电视、交通信号灯、显示板：为了在电视或显示板上显示图像，使用了 LED。由于 LED 消耗的功率非常低，因此广泛用于 LED 灯泡等照明系统。

• 稳压器：由于齐纳二极管的击穿电压非常低，因此在反向偏置时可用作稳压器。

• 通信系统中的检测器：使用二极管的众所周知的检测器是包络检测器，用于检测调制信号的峰值。