奇妙的电子世界(1):二极管的特性与太极

in #steempress3 years ago (edited)

在众多的电子元件中,有一个最基本的也很神奇的元件,叫做二极管。几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体二极管,它在许多的电路中起着重要的作用,它是诞生最早的半导体器件之一,其应用也非常广泛。

通过研究它的特性,我发现和太极有异曲同工之妙。
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二极管最显著的特性就是只允许电流由单一方向通过,反向时阻断 。因此,二极管可以想成电子版的逆止阀。

画得简单一点,就像下面这样,电流只能从左往右流动,而不能从右往左流动。
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今天,我们就借着介绍二极管的机会,给大家普及一下相关的电子知识。


背景介绍:

在这里,我就要向大家介绍一下电流方向了。

而在介绍电流方向之前,就必须介绍半导体中的两种载流子:自由电子和空穴。

我们都知道,物质由原子组成,原子由原子核和核外电子组成。
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以半导体材料为例,是由众多原子排列在一起,由于每一个原子包含的某些外层电子,和它周围原子的外层电子相互作用,形成了化学键。

在热力学温度零度和没有外界能量激发时,晶体内部的价电子受共价键的束缚,晶体中不存在自由运动的电子,半导体是不能导电的。

但是,当半导体的温度升高或受到特定外界因素的影响时,某些共价键中的价电子获得了足够的能量,足够挣脱共价键的束缚,跃迁到导带,成为自由电子,同时在共价键中留下相同数量的空穴。

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空穴又称电洞,英文是Electron hole,意思是就像电子跑掉了以后留下的一个洞。

如果把原子比作教室,那么电子就是学生,而空穴就是学生的座位。而在这其中,电子带的是负电,空穴带的是正电。

我们日常所说的电流方向是正电荷移动的方向。

但实际上,空穴是不会移动的,移动的是带负电的电子。所以,“真实的”电流方向其实是电子移动的方向,和我们日常所说的“电流从正极流向负极”的这个方向是相反的。


二极管的基本特性:

二极管的电子符号是这样的:
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A是阳极(正极),K是阴极(负极)。

正向性:

电流只能从A流到K,无法从K流到A。这就是二极管的单向导电性。

电流通过理想二极管的压降是0。但真实的二极管在电流流过的时候,是有压降的。

根据二极管的制作材料不同,分为锗二极管和硅二极管。锗二极管正向压降在0.3V左右,而硅二极管的正向压降在0.7V左右。这是由PN结内电场的差异造成的。

这个电压也叫作二极管的最小导通电压,小于这个电压,二极管还是处于截止状态,只有非常微小的漏电流通过。因此,这个不能使二极管导通的正向电压也称为死区电压。

反向性:

刚才说过,二极管具有单向导电性,反向截止。

只是,绝对的事情只在理想国中才会有。真实世界中,虽然说二极管是反向截止的,但还是有漏电流通过的。这个漏电流和温度正相关,温度越高,漏电流越大。

一般硅管的反向电流比锗管小一些,小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级,小功率锗管在μA数量级。

如果在二极管上加的反向电压足够大,大于某一个特定值时,反向电流会突然增大,会击穿二极管。

像常用的二极管1N4148,其反向击穿电压是75V左右。

当二极管被反向击穿后,就失去了单向导电性。如果反向电压加的时间很短,击穿所产生的热量还没有烧毁二极管,则反向电压去除后,二极管会恢复正常;如果已经产生了很大的热量,就会烧毁二极管。

这就像现实生活中,没有单纯的非黑即白的好人和坏人,每个人都有2面,就像二极管的正向和反向特性。在不同的环境压力下,表现出来的特性就不一样。

二极管的伏安特性如下:
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二极管的基本应用:

整流:

因为二极管具有单向导电性,则最基本的应用就是整流了。交流电通过二极管,则只剩下一半:
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这个叫做半波整流。交流电的负半周被滤除,也就是浪费了。

我们的电厂发出的都是交流电,而我们的电器很多都需要工作在直流电压下。为了不浪费能源,就需要引入全波整流。

最简单的单相桥式全波整流由4只二极管组成。对于单相桥式全波整流器,在整流桥的每个工作周期内,同一时间只有两个二极管进行工作,通过二极管的单向导通功能,把交流电转换成单向的直流脉动电压。
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这个脉动的直流电压经过进一步的滤波,就能变成稳定的直流电压了。

检波:

解调,是调制的逆过程,即从已调波提取调制信号的过程。

在进行信号传输时,往往需要对信号进行调制。

通过调制,不仅可以进行频谱搬移,把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上,从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号,而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响,调制方式往往决定了一个通信系统的性能。

一般典型的调制过程如下:
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这是针对发射端说的。发射得爽了,在接收端,要还原出有用信号。

调幅波信号是二极管检波电路的输入,二极管只允许单向导电,若使用的是硅管,则只有电压高于0.7V的部分通过二极管。二极管的输出端连接了一个电容,电容与电阻配合对二极管输出中的高频信号对地短路,使得输出信号基本上信号包络线。电容和电阻构成的这种电路功能叫做滤波。

典型的检波线路如下:
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输出端就能得到上面的有用信号。


上面的整流和检波,都是对二极管的正向特性的应用。

二极管的反向特性,也有很大的用处。

二极管的反向击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿。

稳压二极管:

从二极管的伏安特性曲线可以看出,当二极管被反向击穿时,其两端压降变化很小。因此,这个特性被人们用来制造稳压二极管,专门让二极管工作在反向击穿状态下。

一般稳压管用的是齐纳击穿的特性。稳压二极管的符号是这样的:
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雪崩二极管:

利用雪崩击穿对晶体注入载流子,因载流子渡越晶片需要一定的时间,所以其电流滞后于电压,出现延迟时间,若适当地控制渡越时间,那么,在电流和电压关系上就会出现负阻效应,从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的振荡电路中。

发光二极管:

还有一种二极管,是利用电子与空穴复合时能辐射出可见光这个特性,制作成了发光二极管,英文缩写是LED。

图源:pixabay

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。

比如,砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光,氮化镓二极管发蓝光。蓝光的LED是最后才出现的,这也是电子技术极发展后才取得的新技术。

正常使用二极管时,人们总是想使用它的典型特点,比如正向导电性,让二极管本身的能量消耗最小。而发光二极管的出现,为了得到更高的发光亮度,人们想尽方法让它通过更多的电流,并让这些功率最大限度地转化为亮度。

高亮度的LED目前仍在进一步发展中。

除了上面说的这些常用的二极管,还有阻尼二极管,瞬变电压抑制二极管,江崎二极管,硅功率开关二极管等等很多不同应用场合使用的特殊二极管。这里就不一一介绍了。


看了二极管这些特点和应用,特别是二极管反向特性的应用,以及后来电子技术发展后出现的发光二极管,都是和二极管诞生之初的用途完全不一样的。

这也说明了一个问题:某人或是某物有一种特点,随之而来的可能会有另一种看似不好的特性。这种特性原来看上去可能是缺点,但是如果巧加利用,反而可能变成一个很大的优点,而这个特点在别人那里可能还没有。

这个世界无所谓好坏,缺点和优点往往会相互转化,就像太极,你中有我,我中有你。
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正所谓世事无绝对,风水轮流转啊!

你会发现,特点无所谓好坏,只要够独特,加以利用,就会发挥出巨大的威力。然后,人们还会围绕着这个特点,再进一步分析发展改良改进。

所以,不要拘泥于社会上统一的要求标准,让自己自由发展出足够独特的技能吧。

参考文献:

百度百科:价电子

百度百科:空穴

百度百科:二极管原理

百度百科:检波二极管

百度百科:发光二极管


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许多看不明白了。

物理不及格者留

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哈哈,这是电子电路课,非专业的确实不懂,不过我已经尽量用大白话来说了😂

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确实。这真的是很浅百,可是如果没有基础真的还是看不太明白。

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好厉害的机哥

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