二极管为什么单向导电？看完秒懂

二极管是电子电路中很常用的元器件，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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二极管很重要的一个特性：单向导电特性

单向导电是二极管最重要的一个特性。

二极管是由P型半导体和N型半导体组成的。二极管的单向导电特性正是由PN结所决定的。P型半导体结构和N型半导体的结构如下图所示。

▲P型半导体和N型半导体

PN结正偏情况

在P型半导体上接电源正极，N型半导体接电源负极，即使PN结的正向偏置，PN结处于导通状态。

PN结反偏情况

在P型半导体上接电源负极，N型半导体接电源正极，即使PN结的反向偏置，PN结处于截止状态。

利用这一特性，二极管可以当作开关来使用，如下图所示。

▲二极管导单向导电实验

将二极管正向串联在电路当中，由于单向导电特性，二极管导通，电路导通；将二极管反向串联在电路中，二极管截止，导致电路不同。

下图是二极管的伏安特性曲线。

▲二极管伏安特性曲线

在图中的第一象限，当二极管的正向电压很小时，通过的电流非常小几乎为零。当正向电压超过开启电压UON时，二极管流过的电流显著增大。一般硅材料二极管的开启电压约为0.7V，而锗材料二极管的开启电压约为0.2V。

在图中的第三象限，二极管被施加反向电压，反向电压很小时，电流很小且饱和不再增大，当方向电压超过UBR时，电流显著增大，二极管被击穿，不再具有单向导电特性。

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