从PN结到二极管
PN结，神奇的物理现象，奠定了如今丰富多彩的计算机世界。
本征半导体
一切都要从半导体的自身说起，由于半导体晶体的共价键结合能力很强，在T=0K时，最外层电子难以摆脱共价键的束缚，成为自由电子。
但是随着温度的升高，来到室温，有少数最外层电子获得了足够的能量，所以成为了自由电子，所以本征半导体有一定导电的能力，但是这样的电子毕竟很少，所以导电能力甚微。
本征半导体内的两中载流子：空穴和自由电子。
当电子挣脱共价键的束缚之后，电子离开共价键成为了自由电子，但是会在原来的共价键里留下空穴。空穴会吸引相邻的共价键中的电子来这里填补共价键，就这样往复，从效果上看这种电子的填补运动，就好像带正电的空穴在运动一样，这就是 空穴运动。
这样的过程，终究会动态平衡，也就是 电子-空穴平衡。
掺有杂质的半导体
本征半导体，导电能力很差。掺了杂质的半导体，人为的影响空穴密度和自由电子，就可以改变半导体的导电性能。
N型半导体
在纯净的半导体中插入少量的5价杂质元素（磷，锑等），在原来的晶格中有些硅原子会被替换成5价的杂质原子，这样杂质原子和其他硅原子形成4个共价键，但是杂质原子会有一个没有受共价键束缚孤电子，只被原子核吸引，但是原子核的束缚力远远不及共价键，所以在室温下，此电子就可以成为自由电子，失去电子的杂质原子，杂质原子就变成不可以移动的正离子。
在N型半导体中，电子的浓度远远高于空穴的浓度，所以就被称为多数载流子，空穴成为少数载流子。
所以N型半导体靠电子导电，掺入杂质越多，自由电子就会越多，导电型就会越强！
P型半导体
倘若N型半导体是男孩，那么p型半导体就是女孩，PN结就是美好的爱情。
N型掺入5价杂质，P型就插入 3价杂质（硼，镓等），由于杂质原子在和周围的硅原子形成了共价键随之就产生了一个“空穴”，吸引着周围的硅原子来补全空穴，补全之后，杂质原子就成为了不可以移动的负离子。
与N型半导体相反，P型半导体空穴浓度远远大于电子，所以空穴被成为多数载流子（多子），自由电子就被叫为了少数载流子（少子）。
在掺有杂质的半导体中，多数载流子的浓度主要取决掺入杂质浓度；少数载流子的浓度取决于温度。
PN结的形成
多子的扩散和少子漂移动态平衡
多子的扩散运动
一块糖放入水中，就会形成一杯浓度均匀的糖水，在自然界中粒子会浓度高向浓度低的地区扩散。
在PN半导体的交界两侧，由于N型自由电子多，N型区的自由电子就先向P型区扩散，同时P型的空穴也要向N区扩散，空穴和自由电子相遇复合消失，
于是在两侧形成了不可移动正、负离子的空间电荷区，也就是PN结，由于在空间电荷区里缺少可以自由移动的多子，由被成为空穴。
虽然有空穴和自由电子的复合，但是PN组成整体仍旧保持电中性，毕竟没有外界的电荷掺和。
这样的扩散运动不能源源不断，因为在复合的过程中破坏了P和N的电中性，P区带正电，N区带负电，形成了N区指向P区的内电场。内电场阻止了扩散运动的继续。
少子的漂移运动
内电场虽然阻止了扩散运动，P、N各自少子在内电场的作用下反而跟有利交换。也就是P区的自由电子向N区进发，N区的空穴向P区进发，这就是漂移运动。当然漂移运动导致内电场的变弱
内电场阻止扩散运动，扩散运动加强内电场；内电场加强漂移运动，漂移移动削弱内电场。
最终漂移运动就最终和扩散运动动态平衡。
动态平衡的PN结就和充电后电容一样，p区比N区电势低。
PN结的单向导电性
PN结会自然的达到动态平衡状态，但是外加电压就会破坏原来的平衡状态，即扩散电流不再等于漂移电流。
PN外加正向电压（正偏）而导通
P，N半导体都是靠各自的多子在导电，也就是通过扩散电流导电！而PN结内电场阻碍了扩散运动，所以我们需要P端接电源正极，N端接电源的负极，此时称PN结外加正向电压（正偏），如下图，外电场的多数载流子会推向空间电荷区，是ta变窄，削弱了内电场。由于电源的存在，扩散运动可以不断进行，从而导通。
PN结导通的时候只有零点几（硅 0.7V），所以需要在为他串联一个电阻分压和限制电流,防止PN结因正向电留过大二而损坏。
PN结外加反向电压（反偏）而截至
当电源的正极接到N端，负接P端，称为PN接接反向电压（反偏），如图，会导致电去空间区变宽，从而加剧了漂移运动，阻碍着扩散运动。漂移运动形成的反向电流，由于是由少子导电，所以电流非常小(此时PN结的电阻非常大)，反向电流非常小，可以忽略不计，认为此时处于截至状态。
二极管
二极管的核心就是PN结。
二极管的分类
将PN结用外壳封装起来，并且加上点击引线，P区的引线为阳极，N区的就为阴极。常见的二极管的外壳如下图所示。
二极管按照材料分类，硅二极管和锗二极管。从二极管的构成来分类，点接触型和面接触型。
点接触型：
- 接触面积小，不容许通过较大的电流
- 结电容小，允许在高频下工作
- 合适检波和小功率整流电路。
面接触型：
与电接触相反，
- 接触面积大，容许通过较大的电流
- 结电容大，允许在底频下工作
- 大功率功整流电路。
此外还有一个开关型二极管，适合在脉冲数字电路作为开关官。
二极管的伏安特性
正向特性：
在二极管正偏的时候，外加电压小于开启电压，不足以削弱内电场，无法导通。大于开启电压之后就才会有明显的变化。开启电压又叫死区电压。
硅二极管，一般为0.5，锗一般为0.1。
$$
U_on : 死区电压
$$
当电压大于死区电压之后，电流随着电压的升高迅速增大，基本为指数及曲线。
反向特性：
当二极管反偏的时候，当电压小于反向击穿电压的时候，电流随着反向电压的增大而增大，但是到一定电压后不再增大，因为少子的数量是一定的。
此时的电流称为反向饱和电流（其实就是漂移电流）
当电压大于反向击穿电压之后，反向电流迅速增大，此现象称为击穿，二极管在击穿之后不再具有单向导电性。
主要：击穿不意味这二极管被损坏，事实上，只要控制反向电流的数值，不使其过大，即可避免烧坏二极管。当然反向电压降低之后，二极管的性能，有可能回复正常。
$$
I_s :饱和电流
U_Br :方向击穿电压
$$
二极管的主要参数
- 反向电流 ，越小说明二极管的单向导电性越好
- 最大整流电流，允许二极管最大平均正向电流，电流过高，二极管会过热而烧毁。
- 最高反向电压，一般取击穿电压的一半，高于该数值，二极管有可能被击穿。
- 最高工作频率，结电容越大，最高工作频率越小。
练习一下
例题1
已知Ui=6sinwt,两个二极管都是理想二极管，求 $U_o$ 的时间曲线
解答：
理想二极管，也就是没有压降，在正偏的时候作为导线（没有电阻），反偏的时候作为断路。
摩擦这种题目，其实没有给分压电阻R的阻值，那么可以理解为可变电阻，自动帮你让二极管工作在稳定状态。
基本套路是，
- 先忽略电阻的分压作用，看成导线
- 判断 二极管的状态
- 如果非理想型，考虑二极管压降
- 理想型判断是否导通即可
规定 $U_o$ 的负极为0电势
我简单分析下，$0<U_i<3$ $3<U_i<6$ 这两段
-
$0<U_i<3$
可以发现两个二极管，都是反偏，都是不导通状态，所以变化曲线和原来的相同
-
$3<U_i<6$
左手这边的二极管可以导通，那么相当于 输入电压$U_i$ 被短路（二极管旁边的电源，不考虑内阻，理想二极管导通没有电阻），所以$U_o = 3V$
后面的和这个想法一样啦。
例题2
已知道下列二极管的导通电压为0.7V,求 Uo
解：
这个就是非理想半导体，其实也不复杂，一句话可以解决：
如果可以导通，阳极的电势比阴极高0.7V.
基本套路：
- 先忽略电阻的分压作用，看成导线
- 判断 二极管的状态，是否可以导通
- 如果可以导通，阳极的电势比阴极高0.7V （先分析干扰因素小的那一边的电势）
以d为例子：
先把电阻看作导线，二极管阳极电势为 3V,阴极为-3，可以导通。
那么由于阴极那一边还要电阻相连无法直接判断，但是阳极与电源相连，可以直接确认为3V
阳极的电势比阴极高0.7V ，所以阴极电势为2.3 V
那么Uo= 2.3 -0 =2.3V
例题3
先分析电势差大的二极管，电势差大的二极管会钳制自己两端的电压，与之并联的原件电压与其相同。
稳压管
稳压管就是利用，二极管方向击穿时，稳压管的电流急速增大，但是两端的电压缺几乎不变。
一般的二极管击穿之后极大的概率损坏，但是稳压管时用特殊的工艺制作而成。
符号：
主要参数：
- 稳定电压 ，稳压管正常工作时，两边的电压。
- 稳定电流，稳压管在正常工作时的参看电流范围
- 最大耗散功率
- 动态电阻
- 电压温度系数，温度没上升1℃引起的稳定电压的变化值。
习题：
知道 Dz 的稳定电压为6V,最小恒定电流为5mA.求电路中两个2k欧姆的电压
