二极管工作原理及其主要应用

赵继聪，李 森，陶梦江

中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116

0 引言

在当今社会随着人们对电子产品的需求不断增加，二极管的优点也日益突出，几乎现在所有的电子电路中，都需要用到半导体二极管，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用非常的广泛，在很多领域都起着不可取代的作用。如今，二极管的更新使电子产品日益优化，给人们的生活提供了很多帮助。

1 二极管工作原理

二极管的主要原理就是利用PN结的单向导电性,在PN结上加上引线和封装就成了一个二极管。

1）首先对PN结的形成作一些简要简要介绍

P型半导体是在本征半导体（一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体）掺入少量三价元素杂质，如硼等，因硼原子只有三个价电子，它与周围的硅原子形成共价键，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位，当相邻共价键上的电子获得能量时就有可能填补这个空位，使硼原子成了不能移动的负离子，而原来的硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，但整个半导体仍呈中性。

这种P型半导体中以空穴导电为主，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。

N型半导体形成的原理和P型原理相似。在本征半导体中掺入五价原子，如磷等。掺入后，它与硅原子形成共价键，产生了自由电子。在N型半导体中，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。

因此，在本征半导体的两个不同区域掺入三价和五价杂质元素，便形成了P型区和N型区，根据N型半导体和P型半导体的特性，可知在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差异，电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，它们的扩散使原来交界处的电中性被破坏。

2）PN结的单向导电性

在PN结外加正向电压V，在这个外加电场的作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的空穴和N区的电子都要PN结移动，空穴和PN结P区的负离子中和，电子和PN结N区的正离子中和，这样就使PN结变窄。随着外加电场的增加，扩散运动进一步增强，漂移运动减弱。当外加电压超过门槛电压，PN结相当于一个阻值很小的电阻，也就是PN结导通。

2 二极管主要应用

1）几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管。半导体二极管在电路中的使用能够起到保护电路，延长电路寿命等作用。半导体二极管的发展，使得集成电路更加优化，在各个领域都起到了积极的作用。二极管在集成电路中的作用很多，维持着集成电路正常工作。下面简要介绍二极管在以下四种电路中的作用。

（1）开关电路

在数字、集成电路中利用二极管的单向导电性实现电路的导通或断开，这一技术现在已经得到广泛应用。开关二极管可以很好的保护的电路，防止电路因为短路等问题而被烧坏，也可实现传统开关的功能。开关二极管还有一个特性就是开关的速度很快。，这是传统开关所无法比拟的。

（2）限幅电路

在电子电路中，常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分信号。目前，大多数二极管都可作为限幅使用，但有些时候需要用到专用限幅二极管，如保护仪表时。

（3）稳压电路

在稳压电路中通常需要使用齐纳二极管，它是一种利用特殊工艺制造的面结型硅把半导体二极管，这种特殊二极管杂质浓度比较高，空间电荷区内的电荷密度大，容易形成强电场。当齐纳二极管两端反向电压加到某一值，反向电流急增，产生反向击穿。

（4）变容电路

在变容电路中常用变容二极管来实现电路的自动频率控制、调谐、调频以及扫描振荡等。

2）经过多年来科学家们不懈努力，半导体二极管发光的应用已逐步得到推广，目前发光二极管广泛应用于各种电子产品的指示灯、光纤通信用光源、各种仪表的指示器以及照明。发光二极管的很多特性是普通发光器件所无法比拟的，主要具有特点有：安全、高效率、环保、寿命长、响应快、体积小、结构牢固。因此，发光二极管是一种符合绿色照明要求的光源。目前，发光二极管在很多领域得到普遍应用，下面介绍几点其主要应用：

（1）电子用品中的应用

发光二极管在电子用品中一般用作屏背光源或作显示、照明应用。从大型的液晶电视、电脑显示屏到媒体播放器MP3、MP4以及手机等的显示屏都将发光二极管用作屏背光源。

（2）汽车以及大型机械中的应用

发光二极管在汽车以及大型机械中得到广泛应用。汽车以及大型机械设备中的方向灯、车内照明、机械设备仪表照明、大前灯、转向灯、刹车灯、尾灯等都运用了发光二极管。主要是因为发光二极管的响应快、使用寿命长（一般发光二极管的寿命比汽车以及大型机械寿命长）。

（3）煤矿中的应用

由于发光二极管较普通发光器件具有效率高、能耗小、寿命长、光度强等特点，因此矿工灯以及井下照明等设备使用了发光二极管。虽然还未完全普及，但在不久将得到普遍应用，发光二极管将在煤矿应用中取代普通发光器件。

（4）城市的装饰灯

在当今繁华的商业时代，霓虹灯是城市繁华的重要标志，但霓虹灯存在很多缺点，比如寿命不够长等。因此，用发光二极管替代霓虹灯有着很多优势，因为发光二极管与霓虹灯相比除了寿命长，还有节能、驱动和控制简易、无需维护等特点。发光二极管替代霓虹灯将是照明设备发展的必然结果。

3 结论

在当今社会，二极管的发展使人民的生活水平得到不断提升。二极管在电路中的应用使电路得到保护，能够长时间正常工作。目前，二极管在显示、发光方面的应用非常的广泛，因为发光二极管有着普通发光器件所无法比拟的很多优点。在当今社会，“绿色”理念已经逐步渗入人们的思想，各类产品都追求环保、节能等特性。因此，二极管的应用前景非常广泛，它将逐步取代普通发光器件。

[1]方志烈.发光二极管材料与器件的历史、现状和展望[J].湖南：湖南理工学院学报，2007（6）：42-46.

[2]殷尚彬.高亮度发光二极管的应用前景[J].新电子，2004（1）：16-18.

[3]殷登祥.科学技术与社会概论.广州：广东教育出版社，2007.

[4]康华光.电子技术基础.高等教育出版社.