07_二极管与发光二极管_磁力电子学课程讲义.pdfVIP

2.6 二极管与发光二极管 下面我们将要讨论这样一种元件，它只允许电流单向流动，而且和施加电压的类型无关， 我们把这样的元件称为二极管。 2.6.1 二极管 二极管，这个名词来自希腊单词Diode，前缀Di 表示2 的意思，Ode 表示一条通道， 也就是说二极管是指这个元件内部包含两个连接端。二极管在现代电子电路中有着广泛的用 途，其制造的材料和工艺都有很多种。不过，所有的二极管都有一个共同的特性：只允许电 流向一个方向流动。 当我们将两块不同的金属相互接触，做一个最简单的电路连接，这就完成了一个简单的 二极管。早期的无线电接收器中使用的就是这样一种简单的二极管。把小的方铅矿晶体放在 铅盒内就构成了一个二极管的一部分（铅是一种灰色的软金属，方铅矿是一种含铅的矿石）。 将一根细导线和方铅矿表面接触，如果你找到方铅矿晶体正确的触点就可以用耳机接收到无 线电信号。如上图，我们仍然利用二极管来检测接受的无线电信号，二极管将信号改变为你 可以听到的类型。 下图绘制的是电路图中表示二极管的符号。箭头端有一根小竖线的一端为负极，箭头端 的相反端为正极。 二极管是怎样工作的呢？我们来看一个简单的电路图。首先，将二极管的正极和电池的 正极相连，二极管的负极与电池的负极相连。看左图，当二极管的负极以这样的方式连接好 后就会有电流流过二极管，我们说二极管是正向偏压。 现在我们把电源反向连接二极管，右图是连接好的电路。这一次电池正极与二极管负极 相连，电池负极与二极管正极相连。这种情况下，电路中没有电流经过。 现代电子电路中使用的二极管大多数都是由半导体材料制造的，半导体的工作电压较 低，结实可靠，因此，它只有非常小的热能损耗，这些都是用半导体材料制作二极管的优点。 目前还有部分电路使用电子管二极管，不过这些电子二极管已经不再普及。 在课程的前面部分你已经对半导体材料有所了解，现在你可能很想知道怎样使用半导体 材料来制作二极管。嗯，第一步，需要记得二极管由两个部分组成。为了制造固态二极管， 我们需要两块半导体材料，因为半导体材料只有两种类型的材料：P 型和N 型，所以我们需 要每种类型各取一块。 我们通过把两块半导体材料连接就构成了一块二极管材料。N 型和P 型材料在中间相互 接触，从而形成了一个PN 结。引起我们兴趣的正是这两种材料中间的这个PN 结。 制造商是如何制造形成PN 结的呢？他们通常先选择一块P 型和N 型半导体材料，然 后把这块半导体材料表面的一个很小区域通过掺杂改变为另一种半导体材料类型。具体过程 可参见下图，厂商在制造PN 结时需要几个工艺过程，不过在本次课程中我们没有必要去了 解这些具体的细节。 好了，你已经大概了解了制造商如何制造一个二极管，现在你或许想知道二极管是如何 工作的了。在我们将二极管接入电路之前，将会发生很有趣的事情。N 型半导体材料中的自 由电子会穿过PN 结，填充到P 型半导体材料的空穴中！这个过程产生两个结果。首先，在 PN 结附近的区域不再有空穴或自由电子，我们称这个区域为耗尽区。这是因为空穴和自由 电子，或者叫半导体电荷载体已经耗尽，具体情况参看下图： 你也许会提问：“为什么不是N 型半导中的所有电子都穿过PN 结，并填充到P 型半导 体的空穴中呢？”这是个很好的问题。随着一部分电子穿过PN 结，N 型半导体中的杂质电 子带有了正电荷（原子是不带电，但如果失去了电子，那么它将带有正电荷；如果得到了电 子，将带负电荷）。随着自由电子填充到P 型半导体的空穴中，P 型半导体中的受主原子得 到了多余的电子，成为负电荷。这是因为它们现在有了多余的电子。P 型半导体中的空穴也 可以向N 型半导体移动，这个移动过程在P 型半导体中留下负电荷，在N 型半导体中留下 了正电荷。 电子和空穴穿过PN 结的移动对半导体材料的影响效果相同。这个运动使的在N 型半导 体材料中留下正电荷，在P 型半导体中留下负电荷。随着耗尽区的扩大，在PN 结P 这一侧 的负电荷增加，这会阻止更多的电子穿过PN 结。在PN 结N 这一侧的正电荷也增大，从而 吸引着电子返回N 型半导体。 电荷也会阻止更多的空穴穿过PN 结进入N 型半导体材料一侧。下图为这些电荷对耗尽 区所产生的影响，这些电荷阻止了耗尽区的进一步扩大。电子和空穴穿过PN 结的移动会产 生电荷，这是这个移动过程的第二个影响。 现在你已经开始了解晶体二极管的结构。让我们把一个二极管接入到电路中，来看看将 会发生什么？下图为一个二极管/