2020-03-03 20:18:55 佚名

隱居寒天

二極管的實質其實就是一個PN結，二極管的單向導電性實質上也是由PN結的特殊特性決定的。在解釋什麼是PN結之前，我們需要有一些關於半導體的基本常識。

我們一般將不摻雜的半導體稱為本徵半導體，比如硅、鍺、砷化鎵等等。如果對本徵半導體進行摻雜就可以形成n型半導體或者p型半導體。n型半導體中的主要載流子是電子，而p型半導體中的主要載流子是空穴。如果我們將p型半導體和n型半導體結合在一起會發生什麼呢？

圖1. PN結原理說明

如上圖，左邊是p型半導體，右邊是n型半導體。當二者結合時，p型半導體中的多數載流子（簡稱多子），即空穴會擴散到n型半導體中；同樣n型半導體的多子，電子會擴散到p型半導體中。這樣就會在中間形成一個內建電場，這一部分就是pn結。接下來我們可以看到這個內建電場對pn結的單向導電性起了決定性的作用。

我們給一個pn結的p型端接電源正極，n型端接電源負極。這樣這樣內建電場中的電子會跑上正極，空穴會跑向負極。這樣就會打破內建電場已經建立起來的平衡，從而使pn結兩端繼續進行相互擴散。這樣就會造成較大的電流通過pn結，並且電流隨著電壓的增加很快地增加，這種連接方式就是pn結的正向導電，對應於下圖的“Forward”，也就是導通區。

圖2. PN結的IV曲線

那麼如果我們將pn結進行反接會怎麼樣呢？也就是p端接負極，n端接正極。這樣我們就會阻止pn兩端載流子的進一步擴散，從而使pn結中的電流會很小。這個區域叫做pn結的反轉區。如果我們繼續反接，然後不斷加大所加的電流，那麼在某一極限值，pn結將會被擊穿，從而達到擊穿區，擊穿區的電流會隨著電壓迅速增大，但是如果達到擊穿區，pn結將不能正常工作，從而造成損壞。

歷史上第一個二極管是弗萊明於1904年發明的，後來二極管又衍生出來了很多不同的種類，比如光電二極管、整流二極管、穩壓二極管等等。

圖3. 各種各樣的二極管

量子驛站

序言

中考前的那段時間，身邊的同學、朋友經常來問關於二極管為何能單向導電，二極管有什麼作用等問題，後來發現不管是高中還是初中，都沒對二極管提一點事，所以這篇科普寫給那些有相關問題的中學朋友們。

當然，我不能保證本篇文章的絕對正確性，有疏漏之處還請指出。

下面，我們先來看一看二極管的應用

圖一：許多電器使用二極管整流（左下），許多用電器工作二極管發揮著極大的作用（右上，但框裡的不全是二極管）

圖二：發光二極管作為照明使用

既然說到了二極管，上過初中的人都知道這東西有單向導電性，那麼我們來直觀的感受下它的單向導電性。

下圖就是二極管的符號，上過初中的都應該知道，防止一些人忘記，再畫一個。

從實驗認識二極管

（我用的是發光二極管即LED，其他二極管還要從別的東西上拆掉再裝，而且這樣現象更明顯。）

首先讓我們來將二極管的正極連到電源正極，負極經電流表至電源負極。（3V）

這就是二極管導通的時候，大家可以看到，LED亮，電流表有示數。

然後我們將LED反向接入電路。

大家可以看到，LED不亮，電流表沒有示數，這時二極管截止。

之後我們將二極管正向反向並聯至一起

可以看到，正向連接的LED發光，且電流表示數和第一次示數幾乎一樣(圖上不一樣是因為角度問題)

好了，至此都是一些基礎知識，下面我們來講一講二極管的起源。

二極管的起源

二極管不是一開始就那麼高端大氣上檔次的，最早的二極管是愛迪生“做出”的，或者說跟愛迪生有很大關係。

愛迪生為尋找燈絲材料做了近千次實驗（這傢伙看到什麼材料都用來實驗），這是一個我們耳熟能詳的關於堅持與成功的故事，不過說真的，愛迪生這種近乎盲目的嘗試個人認為不應在當代推崇，起碼你應該想一想再動手，不然想想化吧熊孩子事件。

愛迪生在尋找最佳白熾燈絲的不斷嘗試過程中，某次出現了一個小失誤，在燈泡的燈絲附近多引入了一個金屬絲，結果，他發現即使金屬片沒有與燈絲接觸，但在它們之間加上電壓，燈絲仍然會產生一股電流。愛迪生當時並不知道箇中原因（現在我們知道電流的產生是因為熾熱的金屬能向周圍發射電子造成的），不過愛迪生給了它個名字，叫愛迪生效應。當時這個因失誤產生的畸形燈泡實則為人類歷史上第一個二極管（真空二極管，或稱電子二極管），不過這和我們現在見到的二極管是不太一樣的，這個後面會講到。

至於這個圖下面會有，其實就是白熾燈裡通了根金屬線。

下面這個就是真空二極管的實物圖（現在相對用的少啊）

那麼，為何愛迪生搞出來的造型奇特的燈泡有單向導電性呢？

在真空玻璃管中放置兩塊金屬板，加熱其中一塊，這塊金屬板就會發射出電子，再在這兩快金屬板間加電壓，使得電子從一塊板射向另外一塊板，則會產生電流，而如果反向加電壓，電子在受熱發出後又會回到原極板，則不會有電流，故真空二極管具有單向導電性。

愛迪生當時雖然發現了愛迪生效應，可是他正忙著解決碳絲燈泡的燈絲問題，就沒管它，不過弗萊明卻對此產生了濃厚的興趣，最終，在1904年，弗萊明搞出了自稱為“熱離子閥”的裝置，其實就是一個神奇的燈泡，燈泡中間加上金屬片，金屬片上加交流電，就會輸出一個直流電（別覺得不穩定就不是直流啊，雖然我也不知道為何很多初中生都這麼認為），這個能夠充當交流電整流和檢波（無線電的，也稱解調）的神奇燈泡，弗萊明的熱離子閥就是世界上第一個電子管——真空二極管。

愛迪生和他的燈泡我就不再放了。如圖所示，這就是個長得特殊的燈泡。

本來還是想給大家點亮一個真空二極管，後來發現對我來說沒啥用，正好發現zvs吧裡有做vtTC的，於是拿來看看（這是膽管，也就是三極管），順帶一提，zvs吧裡以前有做純真空管功放的。

下面那個有亮光的就是

後來，真空二級管不斷髮展，出現了很多種不同的管子，旁熱型等等。

不過這東西體積大，你想象下為何當時電子計算機體積那麼大，那麼費電，因為管子大，一臺計算機就要搞一堆燈泡，能不費電嗎。所以隨著材料科學的發展，出現了神奇的東西——半導體二極管。

半導體二極管

首先，從名字上來看，“半導體二極管”，那麼肯定是半導體做的。很多初中朋友在問XXX是如何工作的，為何XXX會這樣之類的時候，老師都會說“這是半導體的作用”。那麼什麼是半導體，半導體有什麼種類，是什麼做的，有什麼特性呢？

半導體，指常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。

至於為何會這樣，就是下面這張圖所示了

不管你們看懂看不懂，反正我水平有限

那麼我們接下來看一看半導體的種類。

半導體分為本徵半導體與雜質半導體，雜質半導體又分為N型半導體與P型半導體。

半導體的特性主要有：

1：摻雜性：當往純淨的半導體中摻入少量某些物質時，半導體的導電性會大大增強。二極管、三極管就是用摻入雜質的半導體制成的。

2：熱敏性：當溫度上升時，半導體的導電能力會增強。利用該特性可以將某些半導體制成熱敏器件。

3：光敏性：當有光線照射半導體時，半導體的導電能力也會顯著增強。利用該特性可以將某些半導體制成光敏器件。

要是你問這樣特性形成的根本原因，那麼來這個帖子吧（我就不解釋了，水平有限）（上面那張圖也是這個帖子裡的）http://tieba.baidu.com/p/1600393489?pid=67642658081&cid=0#67642658081 這位大神寫過不少帖子。

接下來繼續，說說剛剛提到的三種半導體

本徵半導體：完全不含雜質且無晶格缺陷的純淨半導體稱為本徵半導體。（來自銻度）

例如硅（Si），硅，14號元素，最外層有四個電子，性質（由指化學性質）和碳類似一大堆硅時，最外層形成四對共價鍵的時候，最外層有八個電子，達到穩定狀態。與此類似的是32號元素，鍺（Ge），最外層也是有4個電子。不同的元素所構成的半導體性質不同，例如第二代半導體砷化鎵（GaAs）相比於硅，更適合用於高功率。

我們來看看本徵半導體的示意圖，便於我們理解。

這就是本徵半導體。你要問我為何一個電子對是並排，一個個是豎著，我只能說，某學習電子電工的人告訴我，這個其實是立體的，但是立體的畫不出來，所以給變平面了，其實哪種都無所謂，況且電子又不是個球。

那麼本徵半導體有什麼性質呢？

本徵半導體的導電能力是很弱的，在純淨的半導體中摻入雜質後，導電能力大大增強。

N型半導體（也稱電子型半導體）：N型半導體即自由電子濃度遠大於空穴濃度的雜質半導體。

嘛，看不懂不要緊，畢竟前面沒說啥是自由電子濃度和空穴濃度，這些不影響大家正常閱讀。

在本徵半導體中摻雜了五價元素後，就成了N型半導體，N型半導體導電性和金屬類似。例如摻入磷（P）砷（As）銻（Sb）等物質，由於它的最外層電子數是5，所以就會搞出一個“多餘”的電子，一個自由電子，於是就可以像金屬那樣導電。同理，N型半導體不止一種。

接下來是示意圖，可以看到，五價元素取代了四價在晶格中的位置。

這就是N型半導體，為何要摻入五價物質，而不是隨意摻呢，因為一般來說本徵半導體最外層有四個電子，摻入五價物質，提供自由電子，使半導體中電子偏多。為何不摻六價元素，一來是因為這樣還是有可能形成不穩定的穩定結構，其次，性質相差太遠，不穩定，總之就是太不穩定，受影響太大。

那麼N型半導體有什麼性質呢？

在本徵半導體中摻入五價雜質後，半導體中會有大量帶負電的電子。

P型半導體（也稱空穴型半導體）：P型半導體即空穴濃度遠大於自由電子濃度的雜質半導體。

在本徵半導體中摻雜了三價元素後，就成了P型半導體，有趣的是P型半導體也有導電性，但是其中沒有自由電子。例如摻入硼（B）鋁（Al）鎵（Ga）銦（In）等物質，由於它的最外層電子數是3，所以就會搞出一個“缺少”的電子，一個空穴，於是就可以進行空穴導電。同理，P型半導體不止一種。

接下來是示意圖，可以看到，三價元素取代了四價在晶格中的位置。

這就是P型半導體，為何要摻入三價物質，而不是隨意摻呢，因為一般來說本徵半導體最外層有四個電子，摻入三價物質，少了一個電子，提供出一個空穴，使半導體中電子偏少。至於為何不摻二價，原理和N型不摻6價道理相同，不穩定。

那麼P型半導體有什麼性質呢？

在本徵半導體中摻入三價雜質後，半導體中電子偏少，有大量的空穴（可以看做正電荷）產生。

原理

下面是二極管的組成以及原理。

首先，一個很關鍵的問題，什麼是PN結：採用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結。（來自銻度）

PN結具有單向導電性，要想理解，圖是必不可少的。

就像這樣。首先，來看下，N區多電子，P區少電子，兩者在一起的時候，自然而然的有一些電子從N型區向P型區擴散，也有一些空穴要從P型區向N型區擴散。換句話說，N區的自由電子填補到了P區的空穴中，產生了如圖所示的空間電荷區，也就是一個自由電子填上空穴的地方，嗯，還是很薄的。

以下幾段是對我的某些同學發發牢騷，以及為感興趣但是可能無法完全理解的初中生們寫的，大家可以隨便看看。

在這種情況下，內電場由N區指向P區。等等，此時，有相當一大批人（我的同學朋友們）在這個時候打斷我，懷疑我講錯，怎麼可能由N指向P，如果由N指向P，咋可能會有電子填補空穴。要解釋這個問題，首先，要明白一點，擴散是因還是內電場是因。

內電場是由擴散而產生的，而非內電場產生擴散。這一點可以很輕易的想到。原本是N區P區，哪來的電場，其次，如果內電場從P指向N，那麼就是加速擴散，然後有更大的電場，然後擴散的更厲害……A加速B，B加速A，A再加速B……而且每次加速還都越來越大，所以明顯的不可能。所以內電場方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止擴散。而空間電荷區也被稱為耗盡層。

好了，接下來開始講單向導電，等等——還有一堆人會在此停頓，因為擴散咋就有內電場了，有位同學給我說“因為如果沒有內電場，擴散應該會一直髮生，直到所有的電子填補所有的空穴，或者自由電子多，變成一大塊N型半導體或者空穴多，變成一大塊P型半導體，所以可以推斷出應該是有一個阻止其擴散的一個作用存在的。然而怎麼就有了內電場。”其實我表示某些人看PN結的時候根本就沒有看到全部信息，甚至某些人說“空間電荷區內電子和空穴全部互相填補，不是產生電場的原因，內電場是由於N型半導體的電子和P型半導體的空穴產生的”。

一張圖解決問題

要知道，耗盡層內，N區的五價元素的自由電子填補之後，相當於失去了一個電子，此時帶正電，而P區的三價原子核多了一個電子（空穴被填補）帶了負電。而兩邊的也就是圖中白色底色的部分是上一層的N區和P區的樣子，共價鍵帶自由電子，共價鍵帶空穴，電子數和質子數是一致的。而耗盡層中明顯的，正離子與負離子，所以才有的內電場。

直接的說就是，圖中的“﹢”和“﹣”就是固定離子。

好的，結束。接下來我們開始講單向導電性。有圖便於思考。

內電場有一股把空穴往P型半導體那邊拉，電子往N型半導體那邊拉的趨勢，如果在二極管外面有一個與此相反的電場，不就可以把電子“拽出來”讓耗盡層變得很薄，讓電子在P型半導體裡發射出去，也就是讓二極管變為一個電阻很小的東西，這時就是“正向偏置”。再等等，某些我的朋友在此迷惑，內電場阻礙耗盡層，那此時的外電場方向相反不應該把耗盡層弄得更厚嗎。我表示我十分懷疑是我講的不清還是他不認真。外電場讓空穴和電子移動，削弱了耗盡層，進而就削弱了內電場，進而導致多子（P型半導體的空穴和N性半導體的自由電子）（貌似也就是多數載流子）擴散運動變強，形成了電流，二極管導通。P區那邊電勢比N區高，也就是說電流由P到N，P區就是二極管的正極（陽極）用“﹢”或者“A”表示，N區就是負極（陰極）用“﹣”或者“K”表示。

如果外電場和內電場方向一致，我們也可以輕易得到，耗盡層變得很大，電阻也大的不行，稱為“反向偏置”，此時二極管截止，除非你給的電壓太高，高到擊穿，也就是把耗盡層變為導體，這樣擊穿一次的二極管，一般就廢了。

性質

1：正向特性：正向特性是指給二極管加正向電壓（二極管正極接高電位，負極接低電位）時的特性。U從0開始慢慢調高，剛開始時，由於電壓U很低，通過二極管的電流極小，可以認為二極管沒有導通，當電壓達到正向導通電壓時，流過二極管的電流急劇增大，二極管導通。這裡的正向導通電壓也稱門電壓或者閾值電壓。不同材料的二極管，門電壓是不同的，例如硅，一般來說為0.5~0.7V，鍺一般為0.2~0.3V。

2：反向特性：反向特性是指給二極管加反向電壓（二極管正極接低電位，負極接高電位）時的特性。U從0慢慢調高，反向電壓不高時，沒有電流流過二極管，二極管不能導通，當電壓達到反向擊穿電壓時，二極管反向導通了。這裡的反向擊穿電壓一般都很高，遠大於正向導通電壓，不同型號的二極管反向擊穿電壓不同，低的幾十伏，高的有幾千伏。普通二極管的反向擊穿導通通常是損壞性的，一般不能再使用。