电子学/二极管

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二极管

理论上，二极管只允许电流在一个方向流动。理想二极管在一个方向上充当完美的绝缘体，而在另一个方向上充当完美的导体。二极管允许电流流动的方向称为正向偏置方向，而阻碍电流流动的方向称为反向偏置方向。二极管的符号如下所示

结构

现代半导体二极管由两个半导体区域组成，每个区域都具有不同类型的杂质，使得一侧具有过量的空穴（p区），另一侧具有过量的电子（n区）。这种p区和n区的连接称为pn结二极管。p区的面积大约是n区的两倍，以补偿与电子相比，空穴的迁移率较低。

+ o-- [P | N]--o - .理论上，二极管只允许电流在一个方向流动，如今最常见的是一块具有p结的晶体材料，连接到两个电极。

工作原理

I-V曲线

如上图所示，二极管实际上在正向区和反向区都工作。在正向区，I和V的值为正，而在反向区，I和V的值为负。

正向区

电流和电压为正

当V < V_d 时，I = 0。二极管不导通

当V = V_d 时，I = 1mA。二极管开始导通。V_d = 0.3v|Ge，0.6v|Si

V_d 称为正向击穿电压

当V > V_d 时，二极管导通电流。电流由

I=I_{o}[e^{({\frac {V_{d}}{nV_{T}}})t}-1]

计算。

反向区

电流和电压为负

当电压值低于峰值反向电压(PIV)时，二极管将会损坏。

理想二极管

实际二极管在反向电流极小（至少在特性曲线的大部分区域小于1fA）以及正向电流非常大（大约1mA）的意义上接近理想二极管。尽管实际二极管不具备理想二极管的特性，但理论上如果两个区域中掺杂剂的浓度无限大，则可以制造出理想二极管。然而，实际上无法做到这一点，实验结果也不一致。

肖克利方程

二极管反向（饱和）电流受掺杂浓度的控制。流过器件的电流随其两端施加的电压变化而变化，如肖克利二极管方程（不要与肖特基混淆）所示。

$I_{D}=I_{S}[exp(V_{D}/nV_{T})-1]$

在上式中， $V_{T}$ 定义为 $V_{T}=kT/q$ ，其中 $k$ 是玻尔兹曼常数， $T$ 是开尔文温度， $q$ 是电子电荷量。

在正向偏置方向，电流在低电压下流动。如果为该方程绘制特性曲线，则可以在称为*开启电压*或*导通电压*的特定电压处看到电流的急剧上升。

在反向偏置模式下，二极管电流近似为 $-I_{S}$ 。这称为反向*饱和*电流，因为看起来二极管已充满电荷，并且在反向偏置方向上不能允许超过此电流。

最初似乎随着温度 $T$ 升高，二极管总电流会降低。但是，饱和电流 $I_{S}$ 随温度升高的速度快于 $V_{T}$ 项降低电流的速度。这导致整个器件的温度系数为负：随着二极管温度升高，它将通过更多电流。

击穿

但是，在上式中，在称为*击穿电压*的点处会发生偏差。可以将其视为肖克利方程*击穿*且不再有效的点。击穿发生有两个原因。

雪崩击穿

这是由于某个区域中存在过量的少数载流子引起的。少数载流子是指位于错误区域的载流子。例如，电子将是p区中的少数载流子。

齐纳击穿

这主要是由于尺寸差异或掺杂浓度差异引起的。其中一个区域具有更大的耗尽区（反向偏置电压会产生耗尽区，在高掺杂区域中耗尽区稀疏，而在低掺杂区域中耗尽区密集）。

另请参见齐纳二极管

总结

所以基本上，二极管有三种工作模式

正向

直到达到称为*开启*电压的小正向电压之前，电流都不会流动。

反向

二极管阻止电流在相反方向流动。电流很小，电压可以很大（但不能超过齐纳电压）。

击穿

一旦二极管电压小于齐纳电压，二极管就会允许电流在反向方向流动。

当没有施加电压时，N型半导体的多余电子流入P型半导体的空穴。这会产生一个充当电压的耗尽区。

二极管变体

桥式整流器

一种将交流电（AC）“整流”为直流电（DC）的二极管电路。桥式整流器是全波整流器，这意味着波的正负部分都变成正的。（在半波整流器中，正的保持为正的，负的变成零。）桥式整流器优于其他全波整流器设计，因为它降低了反向峰值电压（PIV），即单个结二极管上最大的负电压。通过降低PIV，可以使使用击穿（齐纳）电压较低的二极管成为可能。这允许使用更便宜的二极管来执行相同的功能。