二極管工作原理及其主要應(yīng)用

趙繼聰，李 森，陶夢江

中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)隨著人們對電子產(chǎn)品的需求不斷增加，二極管的優(yōu)點(diǎn)也日益突出，幾乎現(xiàn)在所有的電子電路中，都需要用到半導(dǎo)體二極管，它是誕生最早的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用非常的廣泛，在很多領(lǐng)域都起著不可取代的作用。如今，二極管的更新使電子產(chǎn)品日益優(yōu)化，給人們的生活提供了很多幫助。

1 二極管工作原理

二極管的主要原理就是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?在PN結(jié)上加上引線和封裝就成了一個(gè)二極管。

1）首先對PN結(jié)的形成作一些簡要簡要介紹

P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體（一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體）摻入少量三價(jià)元素雜質(zhì)，如硼等，因硼原子只有三個(gè)價(jià)電子，它與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵，因缺少一個(gè)電子，在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空位，當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子獲得能量時(shí)就有可能填補(bǔ)這個(gè)空位，使硼原子成了不能移動(dòng)的負(fù)離子，而原來的硅原子的共價(jià)鍵則因缺少一個(gè)電子，形成了空穴，但整個(gè)半導(dǎo)體仍呈中性。

這種P型半導(dǎo)體中以空穴導(dǎo)電為主，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。

N型半導(dǎo)體形成的原理和P型原理相似。在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)原子，如磷等。摻入后，它與硅原子形成共價(jià)鍵，產(chǎn)生了自由電子。在N型半導(dǎo)體中，電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。

因此，在本征半導(dǎo)體的兩個(gè)不同區(qū)域摻入三價(jià)和五價(jià)雜質(zhì)元素，便形成了P型區(qū)和N型區(qū)，根據(jù)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的特性，可知在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差異，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散，它們的擴(kuò)散使原來交界處的電中性被破壞。

2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

在PN結(jié)外加正向電壓V，在這個(gè)外加電場的作用下，PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，P區(qū)中的空穴和N區(qū)的電子都要PN結(jié)移動(dòng)，空穴和PN結(jié)P區(qū)的負(fù)離子中和，電子和PN結(jié)N區(qū)的正離子中和，這樣就使PN結(jié)變窄。隨著外加電場的增加，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱。當(dāng)外加電壓超過門檻電壓，PN結(jié)相當(dāng)于一個(gè)阻值很小的電阻，也就是PN結(jié)導(dǎo)通。

2 二極管主要應(yīng)用

1）幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導(dǎo)體二極管。半導(dǎo)體二極管在電路中的使用能夠起到保護(hù)電路，延長電路壽命等作用。半導(dǎo)體二極管的發(fā)展，使得集成電路更加優(yōu)化，在各個(gè)領(lǐng)域都起到了積極的作用。二極管在集成電路中的作用很多，維持著集成電路正常工作。下面簡要介紹二極管在以下四種電路中的作用。

（1）開關(guān)電路

在數(shù)字、集成電路中利用二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通或斷開，這一技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)二極管可以很好的保護(hù)的電路，防止電路因?yàn)槎搪返葐栴}而被燒壞，也可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)開關(guān)的功能。開關(guān)二極管還有一個(gè)特性就是開關(guān)的速度很快。，這是傳統(tǒng)開關(guān)所無法比擬的。

（2）限幅電路

在電子電路中，常用限幅電路對各種信號(hào)進(jìn)行處理。它是用來讓信號(hào)在預(yù)置的電平范圍內(nèi)，有選擇地傳輸一部分信號(hào)。目前，大多數(shù)二極管都可作為限幅使用，但有些時(shí)候需要用到專用限幅二極管，如保護(hù)儀表時(shí)。

（3）穩(wěn)壓電路

在穩(wěn)壓電路中通常需要使用齊納二極管，它是一種利用特殊工藝制造的面結(jié)型硅把半導(dǎo)體二極管，這種特殊二極管雜質(zhì)濃度比較高，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度大，容易形成強(qiáng)電場。當(dāng)齊納二極管兩端反向電壓加到某一值，反向電流急增，產(chǎn)生反向擊穿。

（4）變?nèi)蓦娐?/p>

在變?nèi)蓦娐分谐Ｓ米內(nèi)荻O管來實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)頻率控制、調(diào)諧、調(diào)頻以及掃描振蕩等。

2）經(jīng)過多年來科學(xué)家們不懈努力，半導(dǎo)體二極管發(fā)光的應(yīng)用已逐步得到推廣，目前發(fā)光二極管廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的指示燈、光纖通信用光源、各種儀表的指示器以及照明。發(fā)光二極管的很多特性是普通發(fā)光器件所無法比擬的，主要具有特點(diǎn)有：安全、高效率、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)牢固。因此，發(fā)光二極管是一種符合綠色照明要求的光源。目前，發(fā)光二極管在很多領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，下面介紹幾點(diǎn)其主要應(yīng)用：

（1）電子用品中的應(yīng)用

發(fā)光二極管在電子用品中一般用作屏背光源或作顯示、照明應(yīng)用。從大型的液晶電視、電腦顯示屏到媒體播放器MP3、MP4以及手機(jī)等的顯示屏都將發(fā)光二極管用作屏背光源。

（2）汽車以及大型機(jī)械中的應(yīng)用

發(fā)光二極管在汽車以及大型機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。汽車以及大型機(jī)械設(shè)備中的方向燈、車內(nèi)照明、機(jī)械設(shè)備儀表照明、大前燈、轉(zhuǎn)向燈、剎車燈、尾燈等都運(yùn)用了發(fā)光二極管。主要是因?yàn)榘l(fā)光二極管的響應(yīng)快、使用壽命長（一般發(fā)光二極管的壽命比汽車以及大型機(jī)械壽命長）。

（3）煤礦中的應(yīng)用

由于發(fā)光二極管較普通發(fā)光器件具有效率高、能耗小、壽命長、光度強(qiáng)等特點(diǎn)，因此礦工燈以及井下照明等設(shè)備使用了發(fā)光二極管。雖然還未完全普及，但在不久將得到普遍應(yīng)用，發(fā)光二極管將在煤礦應(yīng)用中取代普通發(fā)光器件。

（4）城市的裝飾燈

在當(dāng)今繁華的商業(yè)時(shí)代，霓虹燈是城市繁華的重要標(biāo)志，但霓虹燈存在很多缺點(diǎn)，比如壽命不夠長等。因此，用發(fā)光二極管替代霓虹燈有著很多優(yōu)勢，因?yàn)榘l(fā)光二極管與霓虹燈相比除了壽命長，還有節(jié)能、驅(qū)動(dòng)和控制簡易、無需維護(hù)等特點(diǎn)。發(fā)光二極管替代霓虹燈將是照明設(shè)備發(fā)展的必然結(jié)果。

3 結(jié)論

在當(dāng)今社會(huì)，二極管的發(fā)展使人民的生活水平得到不斷提升。二極管在電路中的應(yīng)用使電路得到保護(hù)，能夠長時(shí)間正常工作。目前，二極管在顯示、發(fā)光方面的應(yīng)用非常的廣泛，因?yàn)榘l(fā)光二極管有著普通發(fā)光器件所無法比擬的很多優(yōu)點(diǎn)。在當(dāng)今社會(huì)，“綠色”理念已經(jīng)逐步滲入人們的思想，各類產(chǎn)品都追求環(huán)保、節(jié)能等特性。因此，二極管的應(yīng)用前景非常廣泛，它將逐步取代普通發(fā)光器件。

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