二极管的工作原理详解

　　二极管，又称为半导体二极管或晶体二极管，是一种具有单向导电性的电子元件。它主要由管芯、管壳和两个电极构成。管芯的核心部分是一个PN结，由P型半导体和N型半导体形成。在PN结的两端各引出一个引线，作为二极管的两个电极，分别称为正极（阳极）和负极（阴极）。同时，用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，以保护管芯并便于连接电路。

　　二极管的工作原理是基于PN结的单向导电性。PN结是由P型半导体和N型半导体接触形成的。在PN结中，P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子会由于浓度差而相互扩散，形成一个空间电荷区，也称为耗尽层。这个空间电荷区会产生一个内建电场，方向从N型半导体指向P型半导体，阻止空穴和自由电子的进一步扩散，使PN结处于平衡状态。

　　1.正向导电：当给二极管的正极加上高于负极的电压，即正向偏置电压时，外部电场与内建电场的方向相反，削弱了内建电场的作用。这使得空穴和自由电子能够更容易地扩散通过耗尽层，从而形成正向电流。此时，二极管处于导通状态。正向电流的大小与外加电压和二极管的特性有关。硅二极管的正向导通电压一般在0.5V至0.7V之间，而锗二极管的正向导通电压较低，一般在0.2V至0.4V之间。

　　2.反向截止：当给二极管的负极加上高于正极的电压，即反向偏置电压时，外部电场与内建电场的方向相同，增强了内建电场的作用。这使得空穴和自由电子更难以扩散通过耗尽层，从而形成反向电流。但是，由于耗尽层中的少数载流子（在P型半导体中是自由电子，在N型半导体中是空穴）的存在，仍然会有少量的反向电流通过二极管，这被称为反向饱和电流。反向电流的大小和半导体材料和温度有关。硅二极管的反向电流较小，而锗二极管的反向电流相对较大。

　　当反向电压增加到某些特定的程度时，反向电流会飞速增加，这被称为二极管的反向击穿。反向击穿会导致二极管损坏，因此在使用二极管时必须要格外注意反向电压的大小。反向击穿有两种类型：电击穿和热击穿。电击穿是由于强电场使PN结中的价电子直接从共价键中拉出来成为载流子，或者使少数载流子获得足够的动能去撞击其他原子，产生雪崩效应，导致反向电流剧增。如果去掉反向电压，二极管仍能恢复工作，这属于电击穿。热击穿是由于反向电流过大，产生的热量使二极管温度上升，导致二极管损坏。如果去掉反向电压，二极管不能恢复工作，则说明发生了热击穿。

　　二极管的伏安特性可以用表征二极管电压和电流关系的曲线来表示。二极管的伏安特性曲线包括正向特性和反向特性两部分。

　　1.正向特性：当二极管为正向接法时，正向电压由0开始增大。由于外加电压较小，外电场还不足以克服PN结内电场对载流子扩散运动的阻力，所以二极管呈现很大的正向电阻，正向电流很小，几乎为0。当正向电压超过一定数值后（这个数值称为死区电压），内电场大为削弱，电流迅速增长。死区电压的大小与管子材料及环境和温度有关。硅二极管的死区电压一般为0.5V左右，而锗二极管的死区电压较低。

　　在正向导通段，二极管在电路中相当于一个开关的导通状态。在正常使用条件下，二极管的正向电流在相当大的范围内变化，而二极管两端电压的变化却不大。小功率硅管的导通管压降为0.6\~0.7V，锗管为0.2\~0.3V。

　　二极管的正向电流与电压的关系可以用理想二极管定律来表示：I=I0×(e^(qV/kT)-1)，其中I是流经二极管的净电流，I0是暗饱和电流（指在反向偏置情况下，二极管中的少数载流子因热激发而产生的反向漏电流），V是二极管两端施加的电压，q是电子电荷的绝对值，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度（K）。在实际应用中，由于二极管的非理想性，指数分母中通常包含理想因子n，n的范围为1\~2。

　　2.反向特性：在反向偏置情况下，二极管中的反向电流很小。反向电流的大小和半导体材料和温度有关。硅二极管的反向电流较小，而锗二极管的反向电流相对较大。反向电流越小，表明二极管的单向导电性越好。

　　当反向电压增加到某些特定的程度时，会发生反向击穿。反向击穿电压的大小与二极管的材料和结构有关。为避免二极管因反向击穿而损坏，通常标定的最大反向工作电压要比反向击穿电压低一些。

　　二极管的主要参数规定了二极管的适合使用的范围，是合理选用二极管的依据。二极管的主要参数包括：

　　1.最大整流电流（IFM）：指二极管长期工作时，能允许通过的最大正向平均电流值。在选用二极管时，工作电流不能超过它的最大整流电流。

　　2.最大反向工作电压（URM）：指二极管工作时所能承受的反向电压峰值，即通常所说的耐压值。为避免二极管因反向击穿而损坏，通常标定的最大反向工作电压要比反向击穿电压低一些。在选用二极管时，加在二极管两端的反向电压峰值不允许超过这一数值。

　　3.反向电流（IR）：指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。由于温度增加，反向电流会飞速增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。

　　4.反向恢复时间（Trr）：当二极管从正向电压变成反向电压时，最理想的状态是立刻反向截止。但实际上，一般要延迟一点点时间，这就是反向恢复时间。它直接影响二极管的开关速度。

　　5.结电容（CT）：结电容的大小直接影响二极管的高频性能。一般地，结电容越小越好。

　　6.功耗（PD）：功耗是指二极管在工作时产生的热量。功耗的大小与正向电压、正向电流和结温有关。二极管的功耗能力取决于结温、应用环境和温度和热阻。

　　7.热阻（RθJ）：热阻是指二极管内部芯片到散热器的热阻。它直接代表了二极管的散热能力。热阻越小，二极管的散热能力越好。

　　8.结温（TJ）：结温是指二极管内部芯片允许的最高温度。如果二极管温度超过结温，二极管就会损坏。

　　9.存储温度（TS）：存储温度是指二极管储存运输时，允许的环境和温度范围。

　　此外，还有一些特殊类型的二极管，如稳压二极管、开关二极管、肖特基二极管等。稳压二极管具有稳定的反向击穿电压，能够适用于电源稳压和电子电路保护。开关二极管具有快速的开关速度和低的反向恢复时间，能够适用于高速开关电路。肖特基二极管具有低的正向压降和高的开关速度，能够适用于低功耗和高频电路。

　　1.整流：在各种电源电路中，二极管被大范围的使用在将交流电转换为直流电。硅二极管可承受较高的反向电压和电流，因此很适合用于大功率电源的整流。

　　2.检波：在收音机、电视机等电子设备的检波电路中，二极管用于将调制在高频信号中的低频信号提取出来。锗二极管由于其低的导通电压和良好的检波特性，常被用于此类电路。

　　3.稳压：稳压二极管在反向偏置时，在一定的反向电压范围内，其反向电流几乎保持不变。此时，稳压二极管两端的电压也基本保持稳定。这个稳定的电压就是稳压二极管的稳压值。稳压二极管能够适用于电源稳压和电子电路保护。

　　4.开关：开关二极管具有快速的开关速度和低的反向恢复时间，能够适用于高速开关电路。在数字电路中，二极管能够适用于隔离输入和输出信号，提高电路的抗干扰能力。

　　5.限幅：二极管能够适用于限制电路中的电压或电流幅值，保护其他电子元件不受损坏。

　　综上所述，二极管是一种具有单向导电性的电子元件，其工作原理是基于PN结的单向导电性。二极管的主要参数包括最大整流电流、最大反向工作电压、反向电流等，这些参数规定了二极管的适合使用的范围。二极管在电子电路中存在广泛的应用，如整流、检波、稳压、开关和限幅等。