干货 | 二极管为什么单向导电?这篇文章终于说明白了

电子工程世界 2020-08-05

二极管是电子电路中很常用的元器件,非常常见,二极管具有正向导通,反向截止的特性。


在二极管的正向端(正极)加正电压,负向端(负极)加负电压,二极管导通,有电流流过二极管。在二极管的正向端(正极)加负电压,负向端(负极)加正电压,二极管截止,没有电流流过二极管。这就是所说的二极管的单向导通特性。下面解释为什么二极管会单向导通。



二极管的单向导电性


二极管是由PN结组成的,即P型半导体和N型半导体,因此PN结的特性导致了二极管的单向导电特性。PN结如图1所示。


图1 PN结示意图


在P型和N型半导体的交界面附近,由于N区的自由电子浓度大,于是带负电荷的自由电子会由N区向电子浓度低的P区扩散;扩散的结果使PN结中靠P区一侧带负电,靠N区一侧带正电,形成由N区指向P区的电场,即PN结内电场。内电场将阻碍多数载流子的继续扩散,又称为阻挡层。



PN结详解


二极管的单向导电特性用途很广,到底是什么原因让电子如此听话呢?它的微观机理是什么呢?这里简单形象介绍一下。


假设有一块P型半导体(用黄色代表空穴多)和一块N型半导体(用绿色代表电子多),它们自然状态下分别都是电中性的,即不带电。如图2所示。


图2 P型和N型半导体


把它们结合在一起,就形成PN结。边界处N型半导体的电子自然就会跑去P型区填补空穴,留下失去电子而显正电的原子。相应P型区边界的原子由于得到电子而显负电,于是就在边界形成一个空间电荷区。为什么叫“空间电荷区”?是因为这些电荷是微观空间内无法移动的原子构成的。


空间电荷区形成一个内建电场,电场方向由N到P,这个电场阻止了后面的电子继续过来填补空穴,因为这时P型区的负空间电荷是排斥电子的。电子和空穴的结合会越来越慢,最后达到平衡,相当于载流子耗尽了,所以空间电荷区也叫耗尽层。这时PN结整体还呈电中性,因为空间电荷有正有负互相抵消。如图3所示。


图3 PN结形成内建电场


外加正向电压,电场方向由正到负,与内建电场相反,削弱了内建电场,所以二极管容易导通。绿色箭头表示电子流动方向,与电流定义的方向相反。如图4所示。


图4 正向导通状态


外加反向电压,电场方向与内建电场相同,增强了内建电场,所以二极管不容易导通。如图5所示。当然,不导通也不是绝对的,一般会有很小的漏电流。随着反向电压如果继续增大,可能造成二极管击穿而急剧漏电。


图5 反向不导通状态


图6是二极管的电流电压曲线供参考。


图6 二极管电流电压曲线


图7形象的展示了不同方向二极管为什么能导通和不能导通,方便理解。


图7 不同方向导通效果不同


生活中单向导通的例子也不少,比如地铁进站口的单向闸机,也相当于二极管的效果:正向导通,反向不导通,如果硬要反向通过,可能就会因为太大力“反向击穿”破坏闸机了。

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