二極體為什麼單向導電?看完你就懂

2021-10-24 04:43:32 字數 1880 閱讀 2652

二極體是電子電路中很常用的元器件,非常常見,二極體具有正嚮導通,反向截止的特性。

在二極體的正向端(正極)加正電壓,負向端(負極)加負電壓,二極體導通,有電流流過二極體。在二極體的正向端(正極)加負電壓,負向端(負極)加正電壓,二極體截止,沒有電流流過二極體。這就是所說的二極體的單嚮導通特性。下面解釋為什麼二極體會單嚮導通。

二極體的單向導電性

二極體是由 pn 結組成的,即 p 型半導體和 n 型半導體,因此 pn 結的特性導致了二極體的單向導電特性。pn 結如圖 1 所示。

圖 1 pn 結示意圖

在 p 型和 n 型半導體的交介面附近,由於 n 區的自由電子濃度大,於是帶負電荷的自由電子會由 n 區向電子濃度低的 p 區擴散;擴散的結果使 pn 結中靠 p 區一側帶負電,靠 n 區一側帶正電,形成由 n 區指向 p 區的電場,即 pn 結內電場。內電場將阻礙多數載流子的繼續擴散,又稱為阻擋層。

pn 結詳解

二極體的單向導電特性用途很廣,到底是什麼原因讓電子如此聽話呢?它的微觀機理是什麼呢?這裡簡單形象介紹一下。

假設有一塊 p 型半導體(用黃色代表空穴多)和一塊 n 型半導體(用綠色代表電子多),它們自然狀態下分別都是電中性的,即不帶電。如圖 2 所示。

圖 2 p 型和 n 型半導體

把它們結合在一起,就形成 pn 結。邊界處 n 型半導體的電子自然就會跑去 p 型區填補空穴,留下失去電子而顯正電的原子。相應 p 型區邊界的原子由於得到電子而顯負電,於是就在邊界形成乙個空間電荷區。為什麼叫「空間電荷區」?是因為這些電荷是微觀空間內無法移動的原子構成的。

空間電荷區形成乙個內建電場,電場方向由 n 到 p,這個電場阻止了後面的電子繼續過來填補空穴,因為這時 p 型區的負空間電荷是排斥電子的。電子和空穴的結合會越來越慢,   達到平衡,相當於載流子耗盡了,所以空間電荷區也叫耗盡層。這時 pn 結整體還呈電中性,因為空間電荷有正有負互相抵消。如圖 3 所示。

圖 3 pn 結形成內建電場

外加正向電壓,電場方向由正到負,與內建電場相反,削弱了內建電場,所以二極體容易導通。綠色箭頭表示電子流動方向,與電流定義的方向相反。如圖 4 所示。

圖 4 正嚮導通狀態

外加反向電壓,電場方向與內建電場相同,增強了內建電場,所以二極體不容易導通。如圖 5 所示。當然,不導通也不是   的,一般會有很小的漏電流。隨著反向電壓如果繼續增大,可能造成二極體擊穿而急劇漏電。

圖 5 反向不導通狀態

圖 6 是二極體的電流電壓曲線供參考。

圖 6 二極體電流電壓曲線

圖 7 形象的展示了不同方向二極體為什麼能導通和不能導通,方便理解。

圖 7 不同方向導通效果不同

生活中單嚮導通的例子也不少,比如地鐵進站口的單向閘機,也相當於二極體的效果:正嚮導通,反向不導通,如果硬要反向通過,可能就會因為太大力「反向擊穿」破壞閘機了。

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