電子基礎 - 二極體

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在瞭解了各種元件之後，讓我們關注電子領域中另一個重要的元件，即二極體。半導體二極體是一種具有PN接面的雙端電子元件。它也被稱為整流器。

二極體的陽極是正極，用A表示；陰極是負極，用K表示。要識別實際二極體的陽極和陰極，可以在二極體上看到一條細線，表示陰極，另一端表示陽極。

我們已經討論了P型和N型半導體及其載流子的行為，現在讓我們嘗試將這些材料連線在一起，看看會發生什麼。

二極體的形成

如果將P型和N型材料靠近放置，它們就會形成一個結，如下圖所示。

P型材料的空穴是多數載流子，N型材料的電子是多數載流子。由於異性電荷相吸，P型材料中的一些空穴會傾向於移動到N側，而N型材料中的一些電子會傾向於移動到P側。

當它們都向結移動時，空穴和電子相互複合，形成離子。現在，在這個結處存在一個區域，那裡形成了正離子和負離子，稱為PN接面或結勢壘，如下圖所示。

P側形成負離子，N側形成正離子，導致在PN接面兩側形成一個狹窄的帶電區域。這個區域現在沒有可移動的載流子。這裡存在的離子是靜止的，並在它們之間保持一個沒有載流子的空間區域。

由於這個區域充當P型和N型材料之間的屏障，因此也被稱為勢壘結。它還有另一個名稱，稱為耗盡區，意思是它耗盡了這兩個區域。由於離子的形成，在結兩側會產生一個電勢差VD，稱為勢壘電勢，因為它阻止了空穴和電子進一步穿過結。

二極體的偏置

當二極體或任何雙端元件連線到電路中時，它在給定的電源下具有兩種偏置狀態。它們是正向偏置狀態和反向偏置狀態。讓我們詳細瞭解一下。

正向偏置狀態

當二極體連線到電路中時，其陽極連線到電源的正極，陰極連線到電源的負極，則這種連線稱為正向偏置狀態。這種連線使電路越來越正向偏置，並有助於更多地導通。二極體在正向偏置狀態下導通良好。

反向偏置狀態

當二極體連線到電路中時，其陽極連線到電源的負極，陰極連線到電源的正極，則這種連線稱為反向偏置狀態。這種連線使電路越來越反向偏置，並有助於最小化和防止導通。二極體在反向偏置狀態下無法導通。

現在讓我們嘗試瞭解一下如果二極體分別連線到正向偏置和反向偏置狀態下會發生什麼。

正向偏置下的工作

當施加外部電壓到二極體上，使它抵消勢壘電勢並允許電流流動時，稱為正向偏置。當陽極和陰極分別連線到正極和負極時，P型材料中的空穴和N型材料中的電子會傾向於穿過結，打破勢壘。電流會自由流動，幾乎消除了勢壘。

在正極對空穴和負極對電子的排斥力的作用下，結處發生了複合。電源電壓應該足夠高，以迫使電子和空穴穿過勢壘並越過它，從而提供正向電流。

正向電流是二極體在正向偏置狀態下產生的電流，用I_f表示。

反向偏置下的工作

當施加外部電壓到二極體上，使它增加勢壘電勢並限制電流流動時，稱為反向偏置。當陽極和陰極分別連線到負極和正極時，電子會被吸引到正極，空穴會被吸引到負極。因此，兩者都會遠離勢壘電勢，增加結電阻，並防止任何電子穿過結。

下圖對此進行了說明。還繪製了未施加場和施加外部場時的導通曲線。

隨著反向偏置的增加，結處只有少數少數載流子可以穿過結。這部分電流通常可以忽略不計。當溫度恆定時，反向電流幾乎是恆定的。但是，如果反向電壓進一步增加，則會達到一個稱為反向擊穿的點，此時大量電流會流過結。這個大的反向電流會損壞器件。

反向電流是二極體在反向偏置狀態下產生的電流，用I_r表示。因此，二極體在反向偏置狀態下提供高阻抗路徑，不導通，而在正向偏置狀態下提供低阻抗路徑，導通。因此，我們可以得出結論，二極體是一種單向器件，在正向偏置時導通，在反向偏置時充當絕緣體。這種特性使其能夠充當整流器，將交流電轉換為直流電。

峰值反向電壓

峰值反向電壓簡稱為PIV。它表示反向偏置時施加的最大電壓。峰值反向電壓可以定義為“二極體在不被損壞的情況下能夠承受的最大反向電壓”。因此，在反向偏置狀態下要考慮這個電壓。它表示二極體在反向偏置下可以安全工作的程度。

二極體的用途

二極體用於在一個方向（即正向方向）阻斷電流流動，並在另一個方向（即反向方向）阻斷電流流動。二極體的這一原理使其能夠充當整流器。

對於允許電流在一個方向流動而在另一個方向停止的電路，整流二極體是最佳選擇。因此，輸出將是直流電，消除了交流電分量。半波和全波整流器等電路是使用二極體製成的，可以在電子電路教程中學習。

二極體也用作開關。它有助於更快地開啟和關閉輸出，這應該以很快的速度發生。

二極體的伏安特性

PN接面二極體的實際電路佈置如下圖所示。一個電流表串聯連線，一個電壓表並聯連線，而電源透過一個可變電阻控制。

在操作過程中，當二極體處於正向偏置狀態時，在某個特定電壓下，勢壘電勢會被消除。這種電壓稱為截止電壓或膝電壓。如果正向電壓超過限制，則正向電流呈指數上升，如果進一步這樣做，則器件會因過熱而損壞。

下圖顯示了二極體在正向和反向偏置狀態下的導通狀態。

在反向偏置期間，會產生由少數載流子產生的電流，稱為“反向電流”。隨著反向電壓的增加，反向電流也會增加，並在某一點突然擊穿，導致結永久損壞。