那是1947年的一個冬天，貝爾實驗室的三位科學家發明了三極管，改變了世界，推動了全球的半導體電子工業。于是10年後又一個冬天，哥仨一起獲得了諾貝爾物理學獎。然而這三極管可不是被憑空發明出來的，從結構上看，她是由兩個二極管組成，絕逼二極管“幹兒子”。今天小編為您帶來 “幹爹”二極管的傳奇故事。

1 二極管工作原理：二極管=PN結 馬甲兒

在半導體性能被發現後，二極管成為了世界上第一種半導體器件，目前最常見的結構是，在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管，甚至可以說二極管實際上就是由一個PN結構成的，因此二極管工作原理約等于PN的工作原理，小編從源頭講講二極管(PN結)到底是怎麼來的?

1.1 二極管工作原理：二極管PN節的好哥倆：P型半導體、N型半導體

我們一般根據導電能力(電阻率)的不同将物體來劃分導體、絕緣體和半導體。更通俗地講，完全純淨的、不含雜質的半導體稱為本征半導體。主要常見代表有矽、鍺這兩種元素的單晶體結構。但實際半導體不能絕對的純淨，這類半導體稱為雜質半導體。

P型半導體

圖1.P型半導體的共價結構

在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成;自由電子是少數載流子，由熱激發形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。

N型半導體

如果在純矽中摻雜少許的砷或磷(最外層有5個電子)，就會多出1個自由電子，這樣就形成N型半導體，因五價雜質原子中隻有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多餘的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子，如圖1所示。

圖2. N型半導體的共價結構

在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供;空穴是少數載流子,由熱激發形成。提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。

1.2 PN結=P∩N(注：“∩”交集)

在一塊完整的矽片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體另一邊形成P型半導體後，兩種半導體的交界面附近的區域為PN結，如圖3所示。在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

圖3.PN結原理圖

PN結的每端都帶電子，這樣排列使電流隻能從一個方向流動。當沒有電壓通過二極管時，電子就沿着過渡層之間的彙合處從N型半導體流向P型半導體，從而形成一個耗盡區。在損耗區中，半導體物質會回複到它原來的絕緣狀态--所有的這些“電子空穴”都會被填滿，所以就沒有自由電子，也就沒有電流流動。

2 二極管工作原理：二極管PN節的單向導電特性---最最最最最重要!

2.1二極管小實驗

在電子電路中，将二極管的正極(P區)接在高電位端，負極(N區)接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式稱為正向偏置。必須說明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。隻有當正向電壓達到某一數值(這一數值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，矽管約為0.6V)以後，二極管才能直正導通。導通後二極管兩端的電壓基本上保持不變(鍺管約為0.3V，矽管約為0.7V)，稱為二極管的“正向壓降”。

将二極管的正極(P區)接在低電位端，負極(N區)接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀态，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管将失去單方向導電特性，此時二極管被擊穿,這就是二極管的反向擊穿特性，将在下一節介紹。

2.2 二極管上升到理論

為了除掉耗盡區，就必須使N型向P型移動和空穴應反向移動。為了達到目的，将PN結N極連接到電源負極，P極連接到正極。這時在N型半導體的自由電子會被負極電子排斥并吸引到正極電子，在P型半導體的電子空穴就移向另一方向。當電壓在電子之間足夠高的時候，在耗盡區的電子将會在它的電子空穴中和再次開始自由移動，耗盡區消失，電流流通過二極管，如圖4所示。

圖4. PN結加正向電壓時的導電情況

若P極接到電源負極，N型接到正極。這時電流将不會流動。N型半導體的負極電子被吸引到正極電子。P型半導體的正極電子空穴被吸引到負極電子。因為電子空穴和電子都向錯誤的方向移動，所以就沒有電流流通過彙合處，耗盡區增加，如圖5所示。

圖5. PN結加反向電壓時的導電情況

PN結V-I 特性表達式(伏安特性曲線如圖6所示)

其中，IS ——反向飽和電流;

VT ——溫度的電壓當量;

且在常溫下(T=300K)時，

圖6. PN結的伏安特性曲線

2.3總結

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流;

PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。

PN結具有單向導電性。

3 二極管工作原理：二極管PN節的反向擊穿—大大的有用!

當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。發生反向擊穿時，在反向電流很大的變化範圍内，PN結兩端電壓幾乎不變，如圖7所示。反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，PN結熱擊穿後電流很大，電壓又很高，消耗在結上的功率很大，容易使PN結發熱，把PN結燒毀。熱擊穿是不可逆的。PN結電擊穿從其産生原因又可分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。

圖7.PN結的反向擊穿

雪崩擊穿

當PN結反向電壓增加時，空間電荷區中的電場随着增強。通過空間電荷區的電子和空穴，在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動的電子和空穴，将不斷地與晶體原子發生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞，可使共價鍵中的電子激發形成自由電子—空穴對，這種現象稱為碰撞電離。新産生的電子和空穴與原有的電子和空穴一樣，在電場作用下，也向相反的方向運動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再産生電子—空穴對，這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數值後，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增大，于是PN結就發生雪崩擊穿。

雪崩擊穿多發生在雜質濃度較低的二極管，一般需要比較高的電壓(>6V)，擊穿電壓與濃度成反比。

齊納擊穿

在加有較高的反向電壓下，PN結空間電荷區中存在一個強電場，它能夠破壞共價鍵将束縛電子分離出來造成電子—空穴對，形成較大的反向電流。發生齊納擊穿需要的電場強度約為2*105V/cm，這隻有在雜質濃度特别大的PN結中才能達到，因為雜質濃度大，空間電荷區内電荷密度(即雜質離子)也大，因而空間電荷區很窄，電場強度就可能很高。一般整流二極管摻雜濃度沒有這麼高，它在電擊穿中多數是雪崩擊穿造成的。

齊納擊穿多數出現在雜質濃度較高的二極管，如穩壓管(齊納二極管)。

必須指出，上述兩種電擊穿過程是可逆的，當加在穩壓管兩端的反向電壓降低後，管子仍可以恢複原來的狀态。但它有一個前提條件，就是反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結容許的耗散功率，超過了就會因為熱量散不出去而使PN結溫度上升，直到過熱而燒毀，這種現象就是熱擊穿。所以熱擊穿和電擊穿的概念是不同的。電擊穿往往可為人們所利用(如穩壓管)，而熱擊穿則是必須盡量避免的。

小問題

1) PN結的反向擊穿電壓是多少?

采取适當的摻雜工藝，将矽PN結的雪崩擊穿電壓可控制在8～1000V。而齊納擊穿電壓低于5V。在5～8v之間麗種擊穿可能同時發生。

2) 二極管三極管和穩壓管是否一樣呢?

不一樣,BC結的反向擊穿電壓低的幾十伏,高的數百伏,但有一點是一樣的,就是NPN管的BE結反向擊穿電壓都是6V左右,因此NPN管的BE結可當6V穩壓管用。

補充：應該是所有矽材料管(PNP和NPN)的BE結都有反向擊穿電壓都是6V這特性，利用這特性可鑒别管子的C和E腳，用10K檔分别測BC和BE的反向電阻，擊穿的是BE結。

4 二極管工作原理：二極管PN結的極間電容

PN結的P型和N型兩快半導體之間構成一個電容量很小的電容，叫做“極間電容”(如圖所示)。由于電容抗随頻率的增高而減小。所以，PN結工作于高頻時，高頻信号容易被極間電容或反饋而影響PN結的工作。但在直流或低頻下工作時，極間電容對直流和低頻的阻抗很大，故一般不會影響PN結的工作性能。PN結的面積越大，極間電容量越大，影響也約大，這就是面接觸型二極管(如整流二極管)和低頻三極管不能用于高頻工作的原因。

5 二極管工作原理：數字萬用表測試二極管好壞

二極管比較容易損壞的元件，其燒壞容易造成線路短路或斷路的情況，影響電器正常工作，因此需要掌握測試二極管好壞的方法。

關于如何使用數字萬用表，請參考小編的《數字萬用表使用方法》，這裡主要介紹數字萬用表測試二極管好壞。

1) 辨别出二極管的正負極，有白線的一端為負極，另一端為正極。

2) 将萬用表上的旋鈕撥到通斷檔位，并将紅黑表筆插在萬用表的正确位置。

3) 将紅表筆接二極管正極，黑表筆接負極。然後觀察讀數，如果滿溢(即顯示為1)，則二極管已壞。若有讀數，則交換表筆，若還有讀數而不滿溢，則二極管壞。

4) 如果是發光二極管，若二極管正常，則可以看到微弱的亮光，長腳為正極。

6 二極管工作原理：二極管的主要參數

1) 額定正向工作電流

二極管長期連續工作時允許通過的最大正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發熱，溫度上升，溫度超過容許限度(矽管為140左右，鍺管為90左右)時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。

2) 最高反向工作電壓

加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會将管子擊穿，失去單向導電能力。為了保證使用安全，規定了最高反向工作電壓值。

3) 反向電流

二極管在規定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向導電性能越好。值得注意的是反向電流與溫度有着密切的關系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。

4) 最高工作頻率fM(MC)

二極管能承受的最高頻率。通過PN結交流電頻率高于此值，二極管接不能正常工作。

5) 最高反向工作電壓VRM(V)

二極管長期正常工作時，所允許的最高反壓。若越過此值，PN結就有被擊穿的可能，對于交流電來說，最高反向工作電壓也就是二極管的最高工作電壓。

6) 最大整流電流IOM(mA)

二極管能長期正常工作時的最大正向電流。因為電流通過二極管時就要發熱，如果正向電流越過此值，二極管就會有燒壞的危險。所以用二極管整流時，流過二極管的正向電流(既輸出直流)不允許超過最大整流電流。

7 二極管工作原理：特殊體二極管

1) 穩壓二極管

電路符号：與普通二極管的電路符号稍有區别。

　原理：又叫齊納二極管，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件.在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恒定

用途：穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。穩壓二極管可以串聯起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯就可獲得更高的穩定電壓。

2) 發光二極管(LED)

電路符号：在普通二極管電路符号的邊上加兩個向外發射的箭頭。

原理：利用自由電子和空穴複合時能産生光的半導體制成，采用不同的材料，可分别得到紅、黃、綠、橙色光和紅外光。常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等。制作材料決定光的顔色(光譜的波長)。

特點：通以正向電流發光，光亮度随着電流的增大而增強，工作電流為幾個毫安到幾十毫安，典型工作電流為10mA左右。正向導通電壓較大。

用途：一般作為電子産品的指示燈

3) 光電二極管

電路符号：在普通二極管電路符号的邊上加兩個朝向管子的箭頭。

原理：普通二極管在反向電壓作用時處于截止狀态，隻能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流;有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信号轉換成電信号，成為光電傳感器件

特點：無光照時與普通二極管一樣具有單向導電性。使用時，光電二極管的PN結應工作在反向偏置狀态，在光信号的照射下，反向電流随光照強度的增加而上升(這時的反向電流叫光電流)。光電流也與入射光的波長有關。

用途：用于測量光照強度、做光電池。

4) 變容二極管

電路符号：在普通二極管電路符号的邊上加一個電容符号。

原理：當外加順向偏壓時，有大量電流産生，PN(正負極)結的耗盡區變窄，電容變大，産生擴散電容效應;當外加反向偏壓時，則會産生過渡電容效應。但因加順向偏壓時會有漏電流的産生，所以在應用上均供給反向偏壓。

用途：用于電子調諧、調頻、調相和自動控制電路等.

5) 肖特基二極管

電路符号：與普通二極管的電路符号稍有區别。

原理：貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)A為正極，以N型半導體B為負極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導體器件。

特點：為反向恢複時間極短(可以小到幾納秒)，正向導通壓降僅0.4V左右。

用途：多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續流二極管、保護二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信号檢波二極管使用。在通信電源、變頻器等中比較常見。

文章至此，二極管的工作原理就介紹完了。

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