干货 | 图解二极管单向导通的原因
2021-01-03
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二极管是电子电路中很常用的元器件，非常常见，二极管具有正向导通，反向截止的特性。
在二极管的正向端（正极）加正电压，负向端（负极）加负电压，二极管导通，有电流流过二极管。在二极管的正向端（正极）加负电压，负向端（负极）加正电压，二极管截止，没有电流流过二极管。这就是所说的二极管的单向导通特性。下面解释为什么二极管会单向导通。
二极管的单向导电性
二极管是由 PN 结组成的，即 P 型半导体和 N 型半导体，因此 PN 结的特性导致了二极管的单向导电特性。PN 结如图 1 所示。
图 1 ：PN 结示意图
在 P 型和 N 型半导体的交界面附近，由于 N 区的自由电子浓度大，于是带负电荷的自由电子会由 N 区向电子浓度低的 P 区扩散；扩散的结果使 PN 结中靠 P 区一侧带负电，靠 N 区一侧带正电，形成由 N 区指向 P 区的电场，即 PN 结内电场。内电场将阻碍多数载流子的继续扩散，又称为阻挡层。
PN 结详解
二极管的单向导电特性用途很广，到底是什么原因让电子如此听话呢？它的微观机理是什么呢？这里简单形象介绍一下。
假设有一块 P 型半导体（用黄色代表空穴多）和一块 N 型半导体（用绿色代表电子多），它们自然状态下分别都是电中性的，即不带电。如图 2 所示。
图 2 ：P 型和 N 型半导体
把它们结合在一起，就形成 PN 结。边界处 N 型半导体的电子自然就会跑去 P 型区填补空穴，留下失去电子而显正电的原子。相应 P 型区边界的原子由于得到电子而显负电，于是就在边界形成一个空间电荷区。为什么叫“空间电荷区”？是因为这些电荷是微观空间内无法移动的原子构成的。
空间电荷区形成一个内建电场，电场方向由 N 到 P，这个电场阻止了后面的电子继续过来填补空穴，因为这时 P 型区的负空间电荷是排斥电子的。电子和空穴的结合会越来越慢，最后达到平衡，相当于载流子耗尽了，所以空间电荷区也叫耗尽层。这时 PN 结整体还呈电中性，因为空间电荷有正有负互相抵消。如图 3 所示。
图 3 ：PN 结形成内建电场
外加正向电压，电场方向由正到负，与内建电场相反，削弱了内建电场，所以二极管容易导通。绿色箭头表示电子流动方向，与电流定义的方向相反。如图 4 所示。
图 4 ：正向导通状态
外加反向电压，电场方向与内建电场相同，增强了内建电场，所以二极管不容易导通。如图 5 所示。当然，不导通也不是绝对的，一般会有很小的漏电流。随着反向电压如果继续增大，可能造成二极管击穿而急剧漏电。
图 5 ：反向不导通状态
图 6 是二极管的电流电压曲线供参考。
图 6 ：二极管电流电压曲线
图 7 形象的展示了不同方向二极管为什么能导通和不能导通，方便理解。
图 7 ：不同方向导通效果不同
生活中单向导通的例子也不少，比如地铁进站口的单向闸机，也相当于二极管的效果：正向导通，反向不导通，如果硬要反向通过，可能就会因为太大力“反向击穿”破坏闸机了。
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