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晶体二极管

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发表于 2024-1-9 00:35:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

在现代电子设备中,无数微小的组件共同工作,才使得我们的生活如此便捷。其中,晶体二极管(Crystal Diode)或更常见的称呼——二极管(Diode),是一种至关重要的电子元件。它的发明改变了电子技术的发展方向,使得电子设备变得更小、更快、更可靠。

在晶体二极管发明之前,主要使用的是真空电子管作为二极管的替代品。真空电子管在早期的电子设备中扮演了重要角色,用于放大电信号和进行整流等操作。然而,真空电子管存在一些显著的缺点,如制作困难、体积庞大、耗能高以及使用寿命相对较短。

正因为真空电子管的这些不足,业界开始迫切期望能够出现一种更为先进、实用的电子管替代品。这种需求推动了半导体技术的研究和发展,最终导致了晶体二极管的诞生。晶体二极管的出现不仅克服了真空电子管的缺点,而且具有更小的体积、更低的能耗和更长的使用寿命,极大地推动了电子技术的进步和电子设备的发展。

晶体二极管的起源可以追溯到 20 世纪初的“晶体检波器”时期。然而,真正的二极管——具有明显单向导电性的设备——是在 20 世纪 40 年代才被发明出来的。最为人们熟知的二极管类型是 1947 年由贝尔实验室的科学家沃尔特·布拉顿、约翰·巴丁和威廉·肖克莱发明的点接触型锗二极管。这一突破性的发明为后来的晶体管,以及集成电路的发展铺平了道路,他们也因此获得了 1956 年的诺贝尔物理学奖。晶体二极管之所以被称为“晶体”,是因为它的主要构成材料是晶体,如单晶硅或单晶锗。这些晶体材料具有特殊的电学性质,使得晶体二极管能够具有单向导电性,即只允许电流从一个方向通过。


二极管符号中箭头(三角形顶端)指向 N

N 型半导体(N 为 Negative 的字头,由于电子带负电荷而得此名):掺入少量杂质磷元素(或锑元素)的硅晶体(或锗晶体)中,由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键,多出的一个电子几乎不受束缚,较为容易地成为自由电子。于是,N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体,其导电性主要是因为自由电子导电。

P 型半导体(P 为 Positive 的字头,由于空穴带正电而得此名):掺入少量杂质硼元素(或铟元素)的硅晶体(或锗晶体)中,由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候,会产生一个“空穴”,这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”,使得硼原子成为带负电的离子。这样,这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”(“相当于”正电荷),成为能够导电的物质。

PN 结:PN 结是由一个 N 型掺杂区和一个 P 型掺杂区紧密接触所构成的,其接触界面称为冶金结界面。 在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成 N 型半导体,另一边形成 P 型半导体,我们称两种半导体的交界面附近的区域为 PN 结。

在 P 型半导体和 N 型半导体结合后,由于 N 型区内自由电子为多子,空穴几乎为零称为少子,而 P 型区内空穴为多子,自由电子为少子,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴浓度差的原因,有一些电子从 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 区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子,N 区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动,因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在 P 和 N 区交界面附近,形成了一个空间电荷区,空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。

在空间电荷区形成后,由于正负电荷之间的相互作用,在空间电荷区形成了内电场,其方向是从带正电的 N 区指向带负电的 P 区。显然,这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反,阻止扩散。另一方面,这个电场将使 N 区的少数载流子空穴向 P 区漂移,使 P 区的少数载流子电子向 N 区漂移,漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从 N 区漂移到 P 区的空穴补充了原来交界面上 P 区所失去的空穴,从 P 区漂移到 N 区的电子补充了原来交界面上 N 区所失去的电子,这就使空间电荷减少,内电场减弱。因此,漂移运动的结果是使空间电荷区变窄,扩散运动加强。最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在 P 型半导体和 N 型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为 PN 结。PN 结的内电场方向由 N 区指向 P 区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。

从 PN 结的形成原理可以看出,要想让 PN 结导通形成电流,必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然,给它加一个反方向的更大的电场,即 P 区接外加电源的正极,N 区接负极,就可以抵消其内部自建电场,使载流子可以继续运动,从而形成线性的正向电流。而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大,PN 结不能导通,仅有极微弱的反向电流(由少数载流子的漂移运动形成,因少子数量有限,电流饱和)。当反向电压增大至某一数值时,因少子的数量和能量都增大,会碰撞破坏内部的共价键,使原来被束缚的电子和空穴被释放出来,不断增大电流,最终PN结将被击穿(变为导体)损坏,反向电流急剧增大。

这就是 PN 结的特性(单向导通、反向饱和漏电或击穿导体),也是晶体管和集成电路最基础、最重要的物理原理,所有以晶体管为基础的复杂电路的分析都离不开它。比如二极管就是基于 PN 结的单向导通原理工作的;而一个 PNP 结构则可以形成一个三极管,里面包含了两个 PN 结。二极管和三极管都是电子电路里面最基本的元件。

二极管有许多种类,根据材料、结构、功能等不同的分类标准,可以将其分为不同类型。

  1. 根据材料,二极管主要分为硅二极管和锗二极管。硅二极管的工作温度范围更广,稳定性更好,因此在现代电子设备中更为常见。锗二极管的正向导通电压通常比硅二极管低。
  2. 根据结构,二极管可以分为点接触型、面接触型和平面型等。不同类型的二极管在电流容量、工作速度、耐压能力等方面有所不同。
  3. 根据功能,二极管还可以分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管(LED)等。这些二极管在电子设备中发挥着各种各样的作用,如电源整流、信号检测、电压稳定、电路开关、指示和照明等。

晶体二极管作为现代电子技术的基石之一,其重要性不言而喻。从无线电、电视、电脑,到手机、LED照明、太阳能电池板,无数我们日常生活中离不开的电子设备,其内部都有二极管的身影。随着科技的不断发展,二极管也在不断进步,更小、更快、更节能的二极管正在不断被研发出来,为我们的未来带来更多可能性。


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