二極管及其應(yīng)用

1、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

（1）純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge），它們均為四價(jià)元素，在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為的摻入特定的雜質(zhì)元素時(shí)，導(dǎo)線性能具有可控性，并且在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性具有明顯的變化。

（2）本征半導(dǎo)體中具有兩種載流子，一個(gè)是空穴（原子由于失去一個(gè)電子形成的空穴，此時(shí)原子帶正電荷），另一個(gè)是自由電子，自由電子和空軍均參與導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì)。

（3）本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，這樣，在本征半導(dǎo)體兩端外加一個(gè)電場(chǎng)，則自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng)，從而形成電子電流（注：電流的形成是電荷的定向移動(dòng)），另一方面由于空穴的存在，價(jià)電子將按一定的方向依次填補(bǔ)空穴，即空穴也產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成空穴電流。

2、P型半導(dǎo)體

在純凈的硅當(dāng)中摻入三價(jià)元素（比如硼），使之取代硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體，此時(shí)的原子外部有三個(gè)價(jià)電子，除了與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵外，還多余了一個(gè)空穴。P型半導(dǎo)體中，由于電子濃度低于空穴濃度，故空穴稱為多數(shù)載流子（多子），自由電子稱為少數(shù)載流子（少子）。

3、N型半導(dǎo)體

在純凈的硅當(dāng)中摻入五價(jià)元素（比如磷），使之取代硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體，此時(shí)的原子外部有五個(gè)價(jià)電子，除了與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵外，還多余了一個(gè)電子。此時(shí)，在常溫下，由于熱激發(fā)，就可以使他們成為自由電子，N型半導(dǎo)體中，由于空穴濃度低于電子濃度，故自由電子成為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。

4、PN結(jié)

（1）由于采用了不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界處就形成了PN結(jié)，PN結(jié)一個(gè)重要的性質(zhì)就是具有單向?qū)щ娦浴?/p>

（2）由于物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方移動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，當(dāng)將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起時(shí)，在兩者交界處，由于兩種載流子濃度差很大，故P區(qū)的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子也會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散，如圖1所示。

（3）隨著擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子和空穴復(fù)合，N區(qū)的空穴和自由電子復(fù)合，所以在交界處的多子濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，這個(gè)區(qū)域成為空間電荷區(qū)（也稱為耗盡層），如圖2所示。

（4）當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，稱為正向偏置（正偏），此時(shí)外電場(chǎng)將多數(shù)載流子推向空間電荷區(qū)，使其變窄，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，從而形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通，由于PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)結(jié)壓降只有零點(diǎn)幾伏，因而設(shè)計(jì)的時(shí)候需要在回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，防止PN結(jié)因正向電流過大而損壞。如圖3所示。

（5）當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，稱為反向偏置（反偏），此時(shí)外電場(chǎng)將空間電荷區(qū)變寬，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)削弱，從而形成反向電流，由于反向電流很小，故可以近似認(rèn)為PN結(jié)截止，如圖4所示。

5、半導(dǎo)體二極管

（1）將PN結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，由P區(qū)引出的電極為陽(yáng)極，N區(qū)引出的電極為陰極。二極管的符號(hào)如下圖所示。

（2）半導(dǎo)體二極管主要有點(diǎn)接觸和面接觸兩種，其中點(diǎn)接觸二極管適用于高頻電路和小功率整流，面接觸型二極管則僅能用于較低頻率下工作，一般僅作為整流管。

（3）伏安特性

（4）二極管在電路中的作用有：整流，穩(wěn)壓，照明，溫度控制，光線檢測(cè)等。其中常見二極管的符號(hào)如下圖所示。

6、例題分析

已知發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓為1.6V，正向電流為5~20mA時(shí)二極管才能發(fā)光。問：開關(guān)置于何種位置時(shí)二極管可能發(fā)光，為了使二極管發(fā)光，電路R的取值范圍應(yīng)為多少。