二极管大家都很熟悉，它是大学课堂中接触到的第一个半导体元件。

它的单项导通性，相比于三极管的放大、饱和、截止状态，要简单易懂的多。

虽然是个小器件，但其在日常各种电子设备中却应用广泛。

比如在通信电源系统中，一个重要的环节就是把交流电转化为直流电，在此过程中，二极管发挥了重要的作用。

因此本文，将从7个方面出发，详细的介绍二极管的原理，这将为后续的整流滤波打下基础。

1. 半导体基本知识
2. 本征半导体
3. 杂质半导体
4. PN结的形成
5. PN结的单向导电性
6. 半导体二极管
7. 二极管的伏安特性

说到二极管是一个半导体器件，那么我们就从半导体说起：

半导体基本知识

定义：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。

半导体之所以引起人们的兴趣，并不在于导电特性介于导体与绝缘体之间，而是特殊的导电特性。

这些特殊的导电特性有哪些呢？

①半导体的导电能力在不同的环境条件下，有很大的差别。

发光二极管、光电二极管、光敏二极管、光敏三极管、光电池、霍尔元件、热敏电阻、热电偶等。

这些半导体，在一些特定的条件下，导电能力变化很大，可以把一些非电量转化为电量，实现自动控制。

②杂质对半导体导电能力的影响尤为显著。

在半导体中摻入适当的杂质，可以将其导电能力增加几十万甚至几百万倍，从而可以利用到各种控制、放大电路中去。

③有自由电子和空穴两种载流子导电。

所谓载流子就是运载电荷的粒子。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电；而本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。

半导体为什么会有这些导电特性呢？

本征半导体

定义：不含杂质，具有晶体结构的半导体。

这种半导体原子结构，通常是4价元素构成。

我们以硅原子为例。图3是其原子排列的平面图。

相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，这样的组合称为共价键结构。

在常温下，由于共价键具有很强的结合力，仅有极少数的价电子由于热运动(热激发)获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成自由电子。

那么此时，在共价键中留下一个空位置，称为空穴。

在外电场作用下，自由电子定向运动就形成了电子电流；

价电子按一定方向依次填补空穴，就形成了空穴电流。

注意：本征半导体中两种载流子的运动方向相反，但是电流方向是一致的。本征半导体中的电流是两个电流之和。

半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。

本征半导体中的自由电子和空穴总是成对的出现，同时也会不断的复合。

所谓复合，就是自由电子在运动的过程中，如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失。

激发与复合达到动态平和，半导体中的载流子数目基本稳定了。

杂质半导体

通过扩散工艺，在本征半导体中摻入少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。

①N(电子)型半导体：电子电流为主要导电的半导体。

在纯净的半导体当中，摻入五价元素，例如磷或者砷，自由电子数目增多(多数载流子)，空穴数目相对减少(少数载流子)。

磷原子相比硅原子，在最外层多了一个电子，这个电子就多出来了，“没啥事情可做”。

多出的电子不受共价键的束缚，只需获得很少的能量，就成为自由电子，

磷原子由于失去了一个电子，则带正电。

对于N型半导体，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称为自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。

②P(空穴)型半导体：空穴电流为主要的导电电流。

硼原子的最外层电子只有3个，摻入本征半导体中，就会多余出一个空穴，吸引相邻的价电子来填补这个空穴。因此空穴变成了多数载流子，硼原子由于得到一个电子，而带负电。

PN结的形成

将一块P型和N型半导体，有机的结合成一个整体后，在它们的交界处，就会形成一个空间电荷区，称为PN结，或称为阻挡层或称耗尽区。

图8的左边是P型半导体，空穴是多数载流子。

右边是N型半导体，自由电子是多数载流子。

物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动。

那么，在交接面处，由于浓度的不同，N型半导体中的自由电子向P型半导体扩散，P型中的 空穴向N型半导体中运动。

这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多字的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内电场。

随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。

在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。当空间电荷区形成后，在内电场作用下，少子产生漂移运动，空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多字数目等于参与漂移运动的少字数目，从而达到动态平衡，形成PN结。

PN结的单向导电性

在PN结两端外加电压，破坏原来的平衡。

当电源的正极接到PN结的P端，且电源的负极接到PN结的N端，称为PN结外加正向电压。

此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。

PN结导通时的结压降只有零点几伏，因而应在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

PN结加反向电压，加强了PN结的内电场，PN结变宽，电路截止。

此时外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也称为漂移电流。

因为少子数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，所以在近似分析中常将它忽略不计，认为PN结外加反向电压时处于截止状态。

半导体二极管

二极管可以理解成一个PN结。

就是将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。

它的几种常见结构有：点接触型、面接触型。

①点接触型：PN结结面小、结电容小、电流小，适合于高频小功率工作(检波、开关)

②面接触型：PN结结面大、结电容大、电流大，适合于低频整流电路。

二极管伏安特性

实际测试二极管的伏安特性可以发现，只有在正向电压足够大时，正向电流才从零随着端电压按指数规律增大。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压。

当二极管所加反向电压的数值足够大时，将使二极管击穿，这个临界电压，叫做击穿电压UBR。

不同型号二极管的击穿电压差别很大，从几十伏到几千伏。

通过二极管的电流与其两端所加电压的关系曲线，即I=f(U)

①正向特性

正向电压加的比较少的时候，二极管并没有导通。

一旦正向电压超过了某个临界点，这个临界电压叫做死区电压，二极管就会导通。

二极管的正向压降根据使用材料不同而不同。

硅管比锗管要大些。

②反向特性

当反方向电压增加在一定范围内的时候，二极管并没有导通，反向电流几乎为零，二极管反向截止。

当方向增加到UBR，使二极管反向击穿。

使二极管损坏，因此这个电压称之为反向击穿电压Breakdown。通常我们在使用时，要控制二极管的反向电压达不到击穿电压。

注意：二极管的特性受温度影响大，当温度升高时，二极管的正、反向电流都要增加，而反向电流都要增加，而反向击穿电压却要下降，使用时尤其注意。

③主要参数

最大整流电流Iom：二极管长期使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。

最高反向工作电压：保证二极管不被反向击穿的反向电压通过Urwm=Ubr。

最大反向电流Irm：二极管在最高反向工作电流Urwm时的反向电流值，通常硅管反向电流较小，小于几微安。锗管反向电流较大，几十到几百微安。

静态(直流)电阻Rd。

动态(交流)电阻rD。

二极管的结电容。

④二极管的简单测试

可以通过指针式万用表：

黑表笔(-)：带正电

红表笔(+)：带负电

先测正向电阻，这个时候电阻比较小，读数几百欧~几兆欧

换接下表笔

读数：几千欧~几兆欧

这样可以判断二极管的级性。

总结

本文主要介绍了半导体，杂质半导体，PN结的形成与导电特性，引出二极管的概念，并阐述了二极管的特性曲线。

这些内容将是后续学习整流电流的基础，也是学习三极管的预备。

看到这里，为班长点个赞吧，欢迎在评论区留言讨论！