整流
二极管原理A. 半导体的基本知识
多数现代
电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半导体材料制成的。为了从电路的观点理解这些器件的性能，首先必须从物理的角度了解它们是如何工作的。
一、半导体材料
从导电性能上看，物质材料可分为三大类：
导体： 电阻率ρ < 10-4 ·cm
绝缘体：电阻率ρ > 109 ·cm
半导体：电阻率ρ介于前两者之间。
目前制造半导体器件的材料用得最多的有：硅和锗两种
二、本征半导体及本征激发
1、本征半导体
没有杂质和缺陷的半导体单晶，叫做本征半导体。
2、本征激发
当温度升高时，电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，称为本征激发。
三、杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质， 就会使半导体的导电性能发生显著的变化。因掺入杂质不同，杂质半导体可分为空穴（P）型半导体和电子（N）型半导体两大类。
1、P型半导体
在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成P型半导体，P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。
2、N型半导体
在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体。N型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。
整流二极管原理B. PN结的形成及特性
一、PN结及其形成过程
在杂质半导体中， 正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。
1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动
在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，N型区内的电子很多而空穴很少，P型区内的空穴很多而电子很少，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从N型区向P型区扩散， 也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。
2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区
电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。 P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子， 这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。
3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动
在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的。
综上所述，PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和 内建电场才能相对稳定。 由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。
二、PN结的单向导电性
PN结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。
1、外加正向电压
当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用VF表示。
在VF作用下，通过PN结的电流称为正向电流IF。外加正向电压的电路如图所示。
2、外加反向电压
当PN结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN结）变宽, 同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用VR表示。在VR作用下，通过PN结的电流称为反向电流IR或称为反向饱和电流IS。如下图所示。
3、PN结的伏安特性
根据理论分析，PN结的伏安特性可以表达为：
式中iD为通过PN结的电流，vD为PN结两端的外加电压；VT为温度的电压当量=kT/q=T/11600=0.026V， 其中k为波尔慈曼常数（1.38×10-23J/K），T为绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10-19C） ；e为自然对数的底；IS为反向饱和电流。
整流二极管工作原理C. 半导体二极管的结构
半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。
点接触型二极管是由一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成，如图 2.7所示。由于点接触型二极管金属丝很细， 形成的PN结面积很小， 所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件， 也可用来作小电流整流。 如2APl是点接触型锗二极管， 最大整流电流为16mA， 最高工作频率为15OMHz。
面接触型或称面结型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的，其结构如图2.7 所示。由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。如2CPl为面接触型硅二极管，最大整流电流为40OmA， 最高工作频率只有3kHz。
图2.7中的硅工艺平面型二极管结构图， 是集成电路中常见的一种形式。代表二极管的符号也在图2.7中示出。
部分二极管实物如图2.8所示。
整流二极管工作原理d 、二极管的伏安特性:
实际的二极管的V-I特性如图2.9所示。由图可以看出，二极管的V-I特性和PN结的V-I特性(图2.6)基本上是相同的。下面对二极管V-I特性分三部分加以说明:
1、正向特性：二极管外加正向偏置电压时的V-I特性
对应于图2.9（b）的第①段为正向特性，此时加于二极管的正向电压只有零点几伏，但相对来说流过管子的电流却很大，因此管子呈现的正向电阻很小。但是，在正向特性的起始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电流几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。 硅管的门坎电压Vth(又称死区电压)约为0·5V，锗管的Vth约为0·lV，当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增长。
2、反向特性：二极管外加反向偏置电压时的V-I特性
P型半导体中的少数载流子（电子）和N型半导体中的少数载流子（空穴），在反向电压作用下很容易通过PN结， 形成反向饱和电流。但由于少数载流子的数目很少， 所以反向电流是很小的， 如图2.9（b）的第②段所示， 一般硅管的反向电流比锗管小得多，其数量级为：硅管nA级，锗管大mA级。
温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流将随之急剧增加。
3、反向击穿特性：二极管击穿时的V-I特性
当增加反向电压时， 因在一定温度条件下， 少数载流子数目有限，故起始一段反向电流没有多大变化，当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，这叫做二极管的反向击穿， 对应于图2.9的第③段，其原因与PN结击穿相同。
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