你可能会用到的知识--二极管的原理及选型


3楼猫 发布时间:2025-02-08 02:16:41 作者:? Language

本文意在简单易懂地为盒友初学者介绍二极管,并当作我的知识总结,如有不对望指教。

PN结

        总所周知,二极管具有单向导通性,其主要的原因是存在一个叫PN结的东西就是它决定了我们加正向电流时二极管导通,加反向电流时截止。

       PN结是P型半导体和N型半导体接触时在他们接触面形成的一片空间电荷区。我们称在纯净硅中掺杂了五价元素(大部分掺杂磷)的物质为N型半导体,其呈正电性。我们高中就学过,两个原子相结合时会通过共价键形成带8个电子的稳定结构,然而硅最外层带4个电子,掺杂的磷最外层带5个电子,在硅和磷形成稳定共价键后会多出来一个电子成为自由电子(及为书上说的多子也称多数载流子,空穴为少子也称少数载流子,顾名思义在N型半导体里自由电子比空穴多),所以现在我们可以通俗地讲N型半导体就是有着很多自由电子的半导体。

你可能会用到的知识--二极管的原理及选型-第0张

图1 N型半导体多出来的一个电子

       同理P型半导体是在纯净硅中参杂了三价元素(大部分为硼),硼最外层才3个电子,与硅原子结合后距离形成稳定共价键还差一个电子,因为不稳定,最外层电子会不断地丢失再与空穴结合(如图 2 ),我们称这个过程产生了一个”空穴”(空穴中性),此时空穴为P型半导体的多子,自由电子为少子。所以现在我们可以通俗地讲P型半导体就是有着很多空穴的的半导体。

你可能会用到的知识--二极管的原理及选型-第1张

图2 P型半导体多出来的一个空穴

      前置知识过完接下来就是重点,当P型半导体与N型半导体接触时如何产生PN结?

         我们知道物体总从浓度大的地方向浓度小的地方移动,小学二年级我们就知道这是扩散运动。当P型二极管与N型二极管接触时(当然正常生产是将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上,这里只是大白话说法)由于载流子的浓度差别很大,所以P型半导体的多子(空穴)会向N型半导体移动,N型半导体的多子(电子)会向P型半导体移动,如图 3。所以在两者的小小交界面这个区间上,P型半导体失去了空穴呈现负电性(及为书上所说的剩下负离子),N型半导体失去电子呈现正电性(及为书上所说的剩下正离子),此时在这区间里因为产生了正负离子我们称这个区间为空间电荷区也就是我们所说的PN结。当多子们的扩散运动达到平衡时,PN结的大小也会趋于稳定。

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图3 扩散运动过程

你可能会用到的知识--二极管的原理及选型-第3张

图4 处于稳定后的PN结

单向导电性

       当我们在P极连上电源正极,N极连上电源负极,我们称此时PN结外加正向电压,一般常称正向偏置(正偏)。用简单易懂的小学二年级的知识来说,PN结内电场N型端为正,P型端为负(见图5 )与外加电场方向相反,所以PN结内部电场被减弱,原本PN结内部平衡被破坏,所以多子的扩散运动加剧,由于外加电场的存在,扩散运动会持续进行从而形成正向电流。同理,在加反向电场(反偏)时,促进了PN结的内电场形成,使其更加的稳定,多子无法扩散,这就导致了反向截至,电流无法通过。

你可能会用到的知识--二极管的原理及选型-第4张

图5 正向偏置,PN结内电场

二极管的选型

       二极管的种类繁多如常见的开关二极管、TVS(瞬态抑制二极管)、ESD、快恢复二极管、肖特基二极管等,此处用TVS来做例子。

TVS主要用来进行雷击浪涌防护、静电防护,用作电路板的第二保护。在选型TVS时主要关注几个参数:

VRWM 工作电压

VC        钳位电压(决定了能将电压压制在什么大小)

IPP       反向脉冲峰值电流(决定了能抗多大的瞬态电流非常重要)

IR         漏电流

VF        正向压降

VRRM  最大反向工作电压

其他类型的二极管选型都大差不差,最重要看清工作电压,反向工作电压、IPP、漏流就好。


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