通过教室座位形象理解二极管原理





在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处,会形成一个具有特殊电学性能过渡区域;
空穴型半导体又称P型半导体,是以带正电的空穴导电为主的半导体。在纯硅中掺入微量3价元素铟或铝,由于铟或铝原子周围有3个价电子,与周围4价硅原子组成共价结合时缺少一个电子,形成一个空穴。空穴相当于带正电的粒子,在这类半导体的导电中起主要作用。
N型半导体也称电子型半导体,指自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体,参杂磷等Ⅴ族元素。磷,第15号化学元素,符号P,磷原子周围有5个价电子。




这里比较难以理解的是空穴的运动。空穴意味着什么都没有,怎么会运动呢?参考图1,图2,图3。图1中左上方有一个空穴,随着图2中电子的运动,出现图3的情形,这本来是电子在运动,但从宏观上的效果来看,我们也可以认为,图1左上角的空穴移动到了图3的右下角。

形成PN结以后,由于电场的作用,空穴和电子会出现扩散运动。

扩散运动停止后,在带电薄层中靠近P区一边有不能移动负电荷,在靠近N区一边有不能移动正电荷,正负电荷的存在在接触面处形成了一个电场,称为内建电场。其方向是从N区指向P区。称为PN结。由于PN结对载流子的扩散具有阻止作用,所以有时也称PN结为“阻挡层”;内建电场所占据的区域中存在还能移动的正、负电荷,故电场区域又叫做“空间电荷区”。

当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通。

由此得出二极管的伏安特性曲线,可以看到,电压大于0.7伏特的时候硅二极管导通。

二极管的作用类似于一个开关:

只不过这个开关不是人去按下,而是电去按下,按下的力量只要大于0.7伏特就可以了。

二极管的这个特性,可以用教室中的座位形象说明。
当教室中间的几排座位,有的位置空着,有的位置坐着两个人或者更多人的时候,这个时候学生会自发调整到一个人一个座位。调整好的那几排座位就相当于PN结。
当教室边缘的右边多出来的没有座位的同学(多子电子),要走到教室左边的空位置(多子空穴)的时候,需要通过已经调整好一人一座的中间那几排(PN结),由于位置比较密,所以存在困难(内建电场),这时候老师命令把排与排之间的位置拉大(外加电压),这样右边的同学就可以顺利走到左边的空位坐下(开关被按下,形成正向电流)。