半导体与二极管
半导体是一类导电能力介于导体(如铜)和绝缘体(如玻璃)之间的特殊材料, 其中最著名的代表就是硅;
纯净半导体的导电性其实很弱, 但如果我们往里面掺入特定的微量元素(这个过程叫做"掺杂"), 就能精准地改变和控制它的导电行为.
- 导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体;
- 常见的半导体材料有硅、锗和硒等;
- 利用半导体材料可以制作各种各样的半导体元器件, 如二极管、三极管、场效应管和晶闸管等都是由半导体材料制作而成的.
半导体特性
- 掺杂性, 当往纯净的半导体中掺入少量某些物质时, 半导体的导电性就会大大增强, 二极管、三极管就是用掺入杂质的半导体制成的;
- 热敏性, 当温度上升时, 半导体的导电能力会增强, 利用该特性可以将某些半导体制成热敏器件;
- 光敏性, 当有光线照射半导体时, 半导体的导电能力也会显著增强, 利用该特性可以将某些半导体制成光电器件.
半导体的类型
- 本征半导体, 纯净的半导体;
- N型半导体, 在纯净半导体中掺入五价杂质(原子核最外层有5个电子的物质, 如磷、砷和锑等);
- P型半导体, 在纯净半导体中掺入三价杂质(如硼、铝和镓)后, 半导体中的电子偏少, 会有大量的空穴(可以看作正电荷)产生.
二极管
微观结构
二极管符号表示
常见变形符号
- LED(二极管+向外箭头)→ 表示发光
- 齐纳二极管 → 阴极线"折线"
- 肖特基二极管 → 特殊阴极形状
光电互动类 💡：
Light-emitting (发光二极管，也就是LED)：符号上有向外发射的箭头，代表通电后会发光。
Photo- (光电二极管)：箭头向内，代表它接收到光照后，会产生电流或改变电阻。
电压控制类 ⚖️：
Zener (齐纳二极管/稳压管)：挡板两端带有折角，像字母"Z"。它专门工作在反向击穿状态，用来稳定电压。
Varactor (变容二极管)：符号像二极管加了一个电容器。它能根据两端电压的变化，改变自身的电容大小，常用于收音机调台, 加反向电压相当于电容。
高速与特殊高频类 ⚡：
Schottky (肖特基二极管)：挡板像字母"S"。它的开关速度极快，常用于电脑电源等高频电路中。
肖特基二极管是一种低功耗、大电流、超高速的半导体整流二极管，其工作电流可达几千安，而反向恢复时间可短至几纳秒。
由于肖特基二极管的导通、截止状态可高速切换，故主要用在高频电路中。由于面接触型的肖特基二极管工作电流大，故变频器、电动机驱动器、逆变器和开关电源等设备中的整流二极管、续流二极管和保护二极管常采用面接触型的肖特基二极管；对于点接触型的肖特基二极管，其工作电流稍小，常在高频电路中用于检波或小电流整流。
Tunnel (隧道二极管)、PIN 二极管和 Step recovery (阶跃恢复二极管) 都是常用于微波和超高频通信领域的特殊器件。
其他：
Constant current (恒流二极管)：用来在电路中提供稳定的电流。
Shockley (肖克莱二极管)：一种具有负阻特性的四层半导体器件。
右下角的 Vacuum tube (真空电子管)：它是现代半导体二极管的"老前辈"，体积大、耗电高，现在多用于高端音响（胆机）中。
二极管伏安特性曲线
在电子工程技术中, 常采用伏-安特性曲线来说明元器件的性质.
伏-安特性曲线又称为电压-电流特性曲线, 用来说明元器件两端电压与通过电流的变化规律.
I = I s ( e V n V T − 1 ) I = I_s \left(e^{\frac{V}{nV_T}} - 1\right) I=Is(enVTV−1)
三大工作区域
1️⃣ 正向导通区(Forward Region)
👉 条件：
阳极电压 > 阴极电压
📌 特点：
电流迅速上升(指数)
存在"开启电压"
📌 常见数值：
硅二极管：≈ 0.7V
锗二极管：≈ 0.3V
👉 工程近似：
👉 超过0.7V → 当作导通
2️⃣ 反向截止区(Reverse Region)
👉 条件：
阳极电压 < 阴极电压
📌 特点：
电流极小(μA级)
基本视为"断路"
👉 这个电流叫：
👉 反向饱和电流 I s I_s Is
3️⃣ 击穿区(Breakdown Region)
👉 条件：
反向电压很大
📌 特点：
电流突然急剧增大
电压基本保持稳定
👉 分两种：
齐纳击穿（Zener）（低电压）
雪崩击穿（Avalanche）（高电压）
📌 注意：
普通二极管 → 会损坏
齐纳二极管 → 正常工作区
工程常用近似模型
👉 实际电路中不会用指数公式，而用简化模型：
- ✔ 理想模型
正向导通：V = 0
反向截止：I = 0 - ✔ 恒压降模型（最常用）
硅管：0.7V
锗管：0.3V - ✔ 分段线性模型
更接近真实曲线
二极管在电路中的主要作用
整流作用
把 交流(AC)→ 直流(DC)
📌 应用：
电源适配器
充电器
👉 原理：
只让电流单方向通过
全桥整流
全桥整流与半波整流对比
保护作用
🔹 反接保护
防止电源接反烧电路
🔹 续流二极管(Flyback)
用于继电器 / 电机
吸收感性反向电压
稳压作用
功能：
稳定电压
📌 原理：
反向击穿后电压基本不变
📌 应用：
简单稳压电路
要让稳压二极管起稳压作用, 需将它反接在电路中
限幅 / 钳位作用
👉 功能：
限制电压范围
📌 应用：
信号保护
ADC输入保护
开关作用
👉 功能：
控制导通/截止
📌 特点：
快速响应
常用于高频电路
二极管从导通状态转换到截止状态所需的时间称为反向恢复时间, 二极管从截止状态转换到导通状态所需的时间称为正向开通时间;
二极管的反向恢复时间要远大于正向开通时间, 故二极管通常只给出反向恢复时间.
检波 / 解调作用
👉 功能：
从调制信号中提取信息
📌 应用：
收音机
通信电路
发光作用(LED)
👉 功能：
电 → 光
📌 应用：
指示灯
显示屏