二极管的作用和原理

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作用：

  1. 单向导电：二极管允许电流只在一个方向上流动，阻止反方向的电流通过。它通常用于整流电路中，将交流电（AC）转化为直流电（DC）。
  2. 保护电路：可以用作电流的保护元件，比如防止电流反向流入其他电路，避免损坏元件。
  3. 信号调节：在一些应用中，二极管可用来调节信号的幅度，或作为开关在数字电路中工作。

原理：

二极管是由两种不同类型的半导体材料（通常是硅或锗）构成的。这两种材料分别是P型半导体和N型半导体。在这两种材料之间形成了一个PN结，它是二极管的核心部分。

  1. 正向工作：当P型半导体连接到电源的正极，N型半导体连接到电源的负极时，二极管导通，电流可以从P端流到N端（正向电流）。这种情况下，PN结的电势差被克服，电流可以通过二极管。

  2. 反向工作：当电流反向，P端连接负极，N端连接正极时，二极管不导电，电流无法通过。这个现象是由于PN结的势垒阻止了电流的流动。

简单总结：

  • 二极管像一个“门”一样，只允许电流从一个方向通过，反方向则会被阻断。
  • 它可以用于将交流电转为直流电，也常用于电路保护等应用。

PN 结 (PN Junction) 原理详解

1. 基础概念：P 型与 N 型半导体

  • P 型半导体 (Positive)：掺杂了受主杂质（如硼），内部含有大量的正电荷载流子——空穴。
  • N 型半导体 (Negative)：掺杂了施主杂质（如磷），内部含有大量的负电荷载流子——自由电子。
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2. PN 结的形成过程

当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，会经历从“运动”到“平衡”的过程：

A. 扩散运动 (Diffusion)

由于交界面两侧存在显著的载流子浓度差，P 区的空穴自发向 N 区扩散，N 区的电子自发向 P 区扩散。

B. 复合与空间电荷层 (Space Charge Region)

在交界面附近，扩散过来的电子和空穴相遇并复合消失。

  • N 区一侧：失去电子后，留下带正电的不可移动离子。
  • P 区一侧：捕获电子后，留下带负电的不可移动离子。

    结果：中间形成了一个没有可移动载流子的区域，称为 耗尽层 (Depletion Region)。

C. 内建电场 (Built-in Electric Field)

这些留下的带电离子形成了一个从 N 指向 P 的电场。

  • 阻碍作用：内建电场产生的力与扩散方向相反，阻止电子继续向 P 区跑，阻止空穴向 N 区跑。
  • 动态平衡：当扩散力量与电场力量达到平衡时，PN 结稳定，形成 势垒 (Potential Barrier)。

3. 单向导电性 (核心原理)

这是二极管工作的物理基础。

🟢 正向偏置 (Forward Bias)

  • 连接方式：电源正极接 P，负极接 N。
  • 物理过程：外加电场与内建电场方向相反，抵消了内建电场，使耗尽层变窄。
  • 状态：电子和空穴能够轻易跨过界面，电路导通。

🔴 反向偏置 (Reverse Bias)

  • 连接方式：电源正极接 N，负极接 P。
  • 物理过程：外加电场与内建电场方向相同，加强了内建电场，使耗尽层变宽。
  • 状态：载流子被拉离界面，电流无法通过，电路截止（仅有极微弱的反向饱和电流）。

4. 总结：PN 结的特性

特性 描述
单向导电性 正向导通，反向截止。
势垒电容 耗尽层电荷随电压变化，在高频电路中需考虑其电容效应。
击穿现象 若反向电压超过阈值，电场强行拉断共价键，电流激增（雪崩或齐纳击穿）。

笔记整理日期：2025年12月18日