我理解的二极管工作原理

作者：AirCity 2020.2.2
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本文从物理原理告诉你这些管道是如何工作的。

本征半导体
先说下半导体，指硅、锗、砷化镓等。这种半导体称为本征半导体。本征半导体有稳定的共价键，一个原子周围有几个电子，相互吸引，形成稳定的结构。但在热刺激的作用下，电子会随机无序运动。一个电子运行，在稳定的共价键结构中有一个洞，所以也可以认为洞也在做随机无序的运动，我们可以想象洞是一个正电荷。
少子漂移
将其他元素混合在本征半导体中，形成N型半导体或P型半导体。无论存在哪种半导体，电子和空穴的随机无序运动都被称为少子漂移。少子漂移的根本原因可以理解为电子不稳定和运行。

PN结
二极管就是一个PN结，一半是P型半导体，混合了少量的三价元素（硼铝镓）。由于共价键的作用，这种半导体会有更多的空洞；一半是N型半导体，混合了少量的五价元素（磷、砷、锑），这种半导体会有更多的电子。


多子扩散
这里需要注意的是，这里提到的更多的空穴或电子，但它们在共价键结构中没有固定的位置，变得更加不稳定，而不是增加整个半导体的正电荷和负电荷。
P半导体的空穴容易被旁边的电子填充，导致旁边多了一个空穴，造成空穴移动的错觉。N半导体不稳定的电子很容易占据挤压旁边的电子，被挤压的电子挤压其他电子。这些洞穴和电子在热刺激下变得非常不稳定，它们的运动被称为多子扩散。

在P和N多子扩散和少子漂移同时发生在类型半导体的接触面中，如下图所示。

在P型半导体中，不稳定的空穴数量多，是多子。N型半导体中，不稳定的电子多，是多子。“多子扩散”就是在P和N半导体的分界面，P类型半导体的空穴极大地吸引了N型半导体的电子，因此在其分界面上建立了一个稳定区，NP型半导体共价键中的不稳定电子填充了空穴，形成了共价键的稳定区域。这个稳定区是上图中的内部电场区。在这一领域，靠近P型半导体的一侧电子多，带负电，靠近N型半导体的一侧，电子少，带正电。内建电场形成后，将阻止多子扩散=多子扩散力。

内建电场区称为势垒区，注意势垒区为二极管，稳压二极管，TVS三极管原理的精髓！必须理解。

势垒区的本质是PN接触面两侧的电子浓度差和共价键的力。将该区域理解为抑制多子扩散的平衡区域。
该区域越大，与半导体混合的活跃多子就越少，半导体就越难导通。
该区域越小，与半导体混合的活跃多子越多，半导体就越容易导通。
内建电场越大，阻值电子从N区扩散到P区(多子扩散)的能力就越强。

这时，我们在PN施加电压：

正偏压P正N负，外部电场与势垒区内建电场方向相反，势垒区较小，只有外部电场大于内部电场，电子通过势垒区PN结会导通。因此，二极管的正向偏压为0.7V以后电流会明显增加，0.7V电流很小。以下是二极管V-V曲线：

反向偏压P负N是的，外部电场与内部电场相同，势垒区域变大，电阻电子从N区域扩散到P区域（多子扩散）。此时，半导体中的多子扩散很少，电流也很小。当反向偏压达到一定程度时，PN结被击穿(雪崩击穿:即电子碰撞产生连锁反应；齐纳击穿:强电场拉动电子击穿)，电流急剧增加。只要击穿是可逆的，只要PN结不烧毁。击穿后，电流变化很大，但电压变化不大，这就是稳压二极管的原理。

注意：PN结正偏导通靠多子，PN结反偏导通靠的是少子。以正偏电流大。

从这个原理来看，稳压二极管可以串联使用，组合成不同的电压值。稳压二极管的工作电流越大，导电阻越小，性能越好。

势垒区有一个特点，外部正电压增加，势垒区变小，PN储存在两侧的电荷减少；外部电压降低，PN两侧存储的电荷增加；这类似于电容器的特性，称为PN结的结电容Cd。

势垒越厚，结电容越大，PN结导通速度越慢，反之亦然。

TVS管它也是一个二极管，但它可以以更快的速度被击穿，并迅速释放电流GND，电压钳位于安全范围内。TVS比稳压二极管的反向击穿速度更快。

光敏二极管工作室应增加反向偏差压力，但当没有光时，电流非常小。这部分电流是由少子漂移形成的，可以变成暗电流。当有光时，添加一些单词来吸收光能跳跃，形成电子空穴对，在反向偏差压力的作用下迅速离开势垒区，形成光生电流。

二极管肖特基一半是半导体，另一半是金属，具有反向恢复时间短（从正向导到反向不导）、高频特性好穿电压较低。

典型的二极管应用电路

二极管应用电路-整流

二极管应用电流-限幅

二极管应用电路-续流

当开关打开时，电感器的电流不能突然变化，并继续沿原来的方向流动。续流二极管提供了一条路径。如果没有这条路径，电感器的两端会产生大电压，刺激电弧。
二极管应用-串联LDO

二极管应用-过压保护

通过PN了解三极管，见文章《三极管》BJT与场效应管FET》

二极管常用电路：
或门

与门

与非门

与非门

三输入与门

三输入或门

我用过的二极管

品牌	型号	参数
WILL	WSB5539N-2/TR	500mA,肖特基 MSM8953平台VPH输出BUCK
NXP	PMEG4010ESB	1A,肖特基 Boost电路
Rohm	CDZVT2R5.1B	5V，稳压管 USB Audio Switch的Vbus输入稳压
LRC	LDSR01S30ST5G	100mA，肖特基管 小功率马达续流
NXP	PMEG3002AESF	同上 同上
Microsemi	JANTX1N4148	玻璃封装，小功率开关二极管 电源电路，航电项目
IRF	MBRB3045CT	30A肖特基管 电源防反向，航电项目
ON	MBR1100	1A肖特基 电源防反向
FAIRCHILD	MM3Z系列	稳压管 电源电路，航电项目
FAIRCHILD	MMBD4148	普通开关管 离散量输入，航电项目