你可能會用到的知識--二極管的原理及選型


3樓貓 發佈時間:2025-02-08 02:16:41 作者:? Language

本文意在簡單易懂地為盒友初學者介紹二極管,並當作我的知識總結,如有不對望指教。

PN結

        總所周知,二極管具有單向導通性,其主要的原因是存在一個叫PN結的東西就是它決定了我們加正向電流時二極管導通,加反向電流時截止。

       PN結是P型半導體和N型半導體接觸時在他們接觸面形成的一片空間電荷區。我們稱在純淨硅中摻雜了五價元素(大部分摻雜磷)的物質為N型半導體,其呈正電性。我們高中就學過,兩個原子相結合時會通過共價鍵形成帶8個電子的穩定結構,然而硅最外層帶4個電子,摻雜的磷最外層帶5個電子,在硅和磷形成穩定共價鍵後會多出來一個電子成為自由電子(及為書上說的多子也稱多數載流子,空穴為少子也稱少數載流子,顧名思義在N型半導體裡自由電子比空穴多),所以現在我們可以通俗地講N型半導體就是有著很多自由電子的半導體。

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圖1 N型半導體多出來的一個電子

       同理P型半導體是在純淨硅中參雜了三價元素(大部分為硼),硼最外層才3個電子,與硅原子結合後距離形成穩定共價鍵還差一個電子,因為不穩定,最外層電子會不斷地丟失再與空穴結合(如圖 2 ),我們稱這個過程產生了一個”空穴”(空穴中性),此時空穴為P型半導體的多子,自由電子為少子。所以現在我們可以通俗地講P型半導體就是有著很多空穴的的半導體。

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圖2 P型半導體多出來的一個空穴

      前置知識過完接下來就是重點,當P型半導體與N型半導體接觸時如何產生PN結?

         我們知道物體總從濃度大的地方向濃度小的地方移動,小學二年級我們就知道這是擴散運動。當P型二極管與N型二極管接觸時(當然正常生產是將P型半導體和N型半導體制作在同一塊硅片上,這裡只是大白話說法)由於載流子的濃度差別很大,所以P型半導體的多子(空穴)會向N型半導體移動,N型半導體的多子(電子)會向P型半導體移動,如圖 3。所以在兩者的小小交界面這個區間上,P型半導體失去了空穴呈現負電性(及為書上所說的剩下負離子),N型半導體失去電子呈現正電性(及為書上所說的剩下正離子),此時在這區間裡因為產生了正負離子我們稱這個區間為空間電荷區也就是我們所說的PN結。當多子們的擴散運動達到平衡時,PN結的大小也會趨於穩定。

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圖3 擴散運動過程

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圖4 處於穩定後的PN結

單向導電性

       當我們在P極連上電源正極,N極連上電源負極,我們稱此時PN結外加正向電壓,一般常稱正向偏置(正偏)。用簡單易懂的小學二年級的知識來說,PN結內電場N型端為正,P型端為負(見圖5 )與外加電場方向相反,所以PN結內部電場被減弱,原本PN結內部平衡被破壞,所以多子的擴散運動加劇,由於外加電場的存在,擴散運動會持續進行從而形成正向電流。同理,在加反向電場(反偏)時,促進了PN結的內電場形成,使其更加的穩定,多子無法擴散,這就導致了反向截至,電流無法通過。

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圖5 正向偏置,PN結內電場

二極管的選型

       二極管的種類繁多如常見的開關二極管、TVS(瞬態抑制二極管)、ESD、快恢復二極管、肖特基二極管等,此處用TVS來做例子。

TVS主要用來進行雷擊浪湧防護、靜電防護,用作電路板的第二保護。在選型TVS時主要關注幾個參數:

VRWM 工作電壓

VC        鉗位電壓(決定了能將電壓壓制在什麼大小)

IPP       反向脈衝峰值電流(決定了能抗多大的瞬態電流非常重要)

IR         漏電流

VF        正向壓降

VRRM  最大反向工作電壓

其他類型的二極管選型都大差不差,最重要看清工作電壓,反向工作電壓、IPP、漏流就好。


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