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。這就是所說的二極管的單向導通特性。下面解釋為什么二極管會單向導通。
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,由于N區(qū)的自由電子濃度大,于是帶負電荷的自由電子會由N區(qū)向電子濃度低的P區(qū)擴散;擴散的結果使PN結中靠P區(qū)一側帶負電,靠N區(qū)一側帶正電,形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場,即PN結內電場。內電場將阻礙多數(shù)載流子的繼續(xù)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,到底是什么原因讓電子如此聽話呢?它的微觀機理是什么呢?這里簡單形象介紹一下。
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(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(qū)填補空穴,留下失去電子而顯正電的原子。相應P型區(qū)邊界的原子由于得到電子而顯負電,于是就在邊界形成一個空間電荷區(qū)。為什么叫“空間電荷區(qū)”?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(qū)形成一個內建電場,電場方向由N到P,這個電場阻止了后面的電子繼續(xù)過來填補空穴,因為這時P型區(qū)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,最后達到平衡,相當于載流子耗盡了,所以空間電荷區(qū)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
外加正向電壓,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(tài)
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 反向不導通狀態(tài)
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么能導通和不能導通,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,也相當于二極管的效果: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。