二极管基本原理
二极管的基本原理
二极管原理、物理结构与构造原理详解
一、二极管的基本原理
二极管是一种单向导电的半导体器件，其核心特性是允许电流从阳极（正极）流向阴极（负极），而反向几乎不导通。这一特性源于其内部的PN结结构。
1. PN结的形成
P型半导体：掺入三价元素（如硼），形成“空穴”多数载流子。
N型半导体：掺入五价元素（如磷），形成“自由电子”多数载流子。
扩散与耗尽层：
当P型和N型半导体结合时：电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区。
在交界处形成耗尽层（无自由载流子），产生由N指向P的内建电场。
2. 单向导电性
正向偏置（阳极接正，阴极接负）：
外电场削弱内建电场，耗尽层变窄。
多数载流子（P区空穴、N区电子）跨过耗尽层形成电流。
反向偏置（阳极接负，阴极接正）：
外电场增强内建电场，耗尽层变宽。
仅有极少数少数载流子（P区电子、N区空穴）形成微小反向电流（μA级）。
二、物理结构
二极管的核心是PN结，具体结构因类型不同有所差异：
1. 点接触型二极管
结构：
在N型半导体表面压接金属针（如钨），通过电火花形成微小P区，构成PN结。
封装于玻璃壳内，避免氧化。
特点：
结电容小，适用于高频电路（如检波）。
电流容量低（mA级）。
2. 面接触型二极管
结构：
P型和N型半导体通过合金法或扩散法大面积结合。
封装于塑料或金属壳内，引脚引出阳极和阴极。
特点：
结面积大，允许大电流（A级），用于整流。
结电容大，工作频率低。
3. 材料与封装
材料：
硅二极管：正向压降约0.7V，耐高温，广泛用于电源电路。
锗二极管：正向压降约0.3V，用于小信号检波，但温度稳定性差。
封装：
- 玻璃封装（小功率）、塑料封装（TO-220等）、金属封装（大功率散热）。
三、构造原理
二极管的制造过程基于半导体掺杂技术，核心步骤如下：
1. 掺杂工艺
N型区：在高纯度硅中掺入磷（五价元素）。
P型区：在另一区域掺入硼（三价元素）。
PN结形成：通过高温扩散或离子注入实现P型和N型半导体的结合。
2. 电极制作
阳极（P区）：焊接金属引线（如铜）。
阴极（N区）：焊接另一引线，或直接连接封装外壳。
3. 特殊二极管结构
发光二极管（LED）：
PN结采用直接带隙材料（如GaAs、InGaN）。
电子与空穴复合时以光子形式释放能量（发光）。
稳压二极管（齐纳二极管）：
- 高掺杂浓度，反向击穿时电压稳定，用于过压保护。
肖特基二极管：
- 金属与半导体接触形成势垒（无PN结），正向压降低（0.2V），开关速度快。
四、二极管类型与应用场景
| 类型 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 整流二极管 | 大电流、低频 | 电源整流（如1N4007） |
| 开关二极管 | 快速开关、低结电容 | 数字电路、高频信号切换 |
| 发光二极管 | 电能→光能转换 | 指示灯、显示屏、照明 |
| 稳压二极管 | 反向击穿电压稳定 | 电压基准、过压保护 |
| 肖特基二极管 | 低压降、高速 | 开关电源、射频电路 |
五、关键参数与注意事项
正向压降（VFVF）：导通时阳极与阴极间的电压（硅管0.7V，锗管0.3V）。
反向击穿电压（VBRVBR）：反向偏置时发生击穿的临界电压。
最大正向电流（IFIF）：长期安全工作的电流上限。
反向恢复时间（trrtrr）：从导通到关闭的延迟时间（影响高频性能）。
注意事项：
避免反向电压超过VBRVBR（稳压二极管除外）。
高温会增大反向漏电流，需考虑散热设计。