二极管电路基础

1. 二极管工作原理

当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后,共价键中就留下一个空位,这个空位叫做空穴。在热能的激励下,晶体中的共价键结构被打破,以一定的速率成对地产生自由电子和空穴。温度愈高,其产生率愈高。另一方面,当一个自由电子与一个空穴相遇复合时,即空穴与自由电子相结合而形成一个新的填充的共价键。在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。

当在本征半导体Si内掺杂正五价的P,As时，由于P,As等五价元素最外层有5个电子，当和四价的Si形成共价键时，就会有一个剩余的自由电子，剩余电子易受热激发而挣脱共价键的束缚成为自由电子，自由电子参与传导电流,它移动后,在施主原子（P,As）的位置上留下个固定的、不能移动的正离子,但半导体仍保持中性。此外,在产生自由电子的同时,并不产生相应的空穴。正因为掺入的施主原子的半导体会有多余的自由电子，所以称为N型半导体；

当在本征半导体Si内掺杂正三价的B,Al等元素时，由于B,Al等三价元素最外层有3个电子，当和四价的Si形成共价键时，由于B,Al等缺少一个电子，当相邻共价键的电子受到热激发等获得能量时，硅原子最外层的电子就有可能填补这个电子空位，使B、Al原子成了不能移动的负离子,而原来硅原子的共价键则因缺少ー个电子,形成了空穴.

在半导体两个不同的区域分别掺入三价和五价杂质元素,便形成P型区和N型区。这样,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差异,N型区内电子浓度很高,而P型区内空穴浓度很高。

电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散。即有一些电子要从N型区向P型区扩散,也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区和N区的交界处原来呈现的电中性被破坏了。P区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子（Ɵ）;N区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子(图中用⊕表示)。

半导体中的离子虽然也带电,但由于物质结构的关系,它们不能任意移动,因此并不参与导电。这些不能移动的带电粒子集中在P区和N区交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,这就是所谓的PN结。在这个区域内,多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电荷区有时又称为耗尽区。它的电阻率很高。扩散越强,空间电荷区越宽。

由于P区一侧带负电,N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场, 当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。

1.1 单向导电性

单向导电性：当外加由P到N的正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

正向导通——P、N间很小的压降，相当于开关闭合。当外加由N到P的反向电压时，外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流

反向截止——P、N间等效很大电阻，相当于开关断开。ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，具有0.7V的电压降，uo＝4.3V。

当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。

当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷在反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过tre后，存储电荷显著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。

反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小。因此，影响二极管的开关时间主要是反向恢复时间，而不是开通时间。

与门：只要有一个为低电平，Y端就被拉低到0.7V；

或门：只要有一个为高电平，Y端就被拉高到2.3V

1.2 二极管门电路的缺点

半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。

输出的高低电平数值和输入的高低电平不相等，相差一个导通电压，如果输出作为下一级门输入信号，将发生高、低电平偏移；

输出端对地接上负载电阻，负载电阻的改变会影响输出高电平。因此，这种电路只用作IC内部的逻辑单元，并不能作为输出端直接驱动负载。

稳压二极管（齐纳二极管）：是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压管的作用在于,电流增量很大,只引起很小的电压变化.必须工作在反向击穿状态（利用其正向特性除外）；流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。

当PN结外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。PN结在正偏时，积累在 P区的电子和N区的空穴随正向电压的增加而很快增加，CD较大；而反偏时，载流子数目很少，CD数值非常小。

1.3 各种二极管

变容二极管：PN结反偏时，反向电流很小，近似开路，因此是一个主要由势垒电容构成的较理想的电容器件，且其增量电容值随外加电压而变化。

PN结正偏时，正向电阻较小，结电容较小，主要取决于扩散电容C_D；

PN结反偏时，反向电阻较大，结电容较大，主要取决于势垒电容C_B。

肖特基二极管：利用金属（如金属铝、金等）与N型半导体接触在交界面形成势垒的二极管。其电容效应非常小；正向导通门坎电压和正向压降都比PN结二极管低；反向击穿电压比较低。

光电二极管：反偏状态下运行，反向电流随光照强度的增加而上升，作为光的测量，将光信号转换为电信号