電子電路基礎——二極體

隨著積體電路的應用越來越多，電子基礎知識顯得更加重要。一方面雲計算和大資料的開發在飛速發展，另外晶片產業也開始了全面程序。人們瞭解一些電子基礎知識，能夠為研發人員提供便利的外在環境。作為電子電路基本組成元件的二極體，可以作為了解電子技術的基礎。

說到電子技術，首先可以先來看上圖中電子管。發明電燈過程中，工程師做燈泡的實驗的時候，發現了加熱燈絲能夠向附近的金屬發射電子的現象。根據這個專利，後來出現了電子管。電子管是第一臺計算機的最主要應用元件，而現在大部分使用的是電晶體。

上圖中的電子管計算機，體積和發熱量很大，消耗能源很多。

電子管後來的發展方向很多，比如發射電子的CRT顯示器、功率放大器和邏輯電路中的二極體構成閘電路。

上圖為電子管的CRT顯示器，現在已經很少使用。

上圖為在使用的電子管功放，在某些大功率的儀器中電子管沒有被電晶體取代，電子管在高頻大功率領域仍舊有不可替代的地位。

上圖是現在常用的是半導體晶體的二極體。現在以矽晶體半導體為例子，大概說明電晶體的原理。

矽元素作為一種晶體，有規則的原子排列。

在自然界中，常見的物質根據導電效能的不同，分為導體和絕緣體。還有一類作為半導體而特殊的存在，在元素週期表中介於金屬導體和絕緣元素之間，工程師也發現它們的不同作用。以矽晶體二極體為例，來看是怎樣有矽、硼和磷元素實現二極體的功用。

有元素週期表中硼、矽和磷的位置，不難想到這三種元素最外層電子數目為3、4和5。往單質矽中分別摻加硼元素和磷元素，會成為兩種新的混合物，這兩種混合物結合在一起的時候會有特殊的導電性質。

矽原子最外層有四個電子，原子之間存在共價鍵。當矽單質中摻加了硼元素，因硼原子只有三個價電子，它與周圍的矽原子形成共價鍵，因缺少一個電子，在晶體中便產生一個空位，或者稱為空穴。

當矽單質中摻加了五價原子磷元素後，它與矽原子形成共價鍵，並且有自由電子。

磷和矽元素由共價鍵作用結合同時會有一個自由電子，硼和矽的共價鍵會有一個空穴。讓分別摻加了硼、磷元素的矽結合在一起，中間的結合面會有電子偏移，大約有幾微米的距離。中間電子偏移會達到新的電勢平衡，中間產生新的電勢平衡的地方稱為“PN”結。P為Positive正極的首字母，N為Negative負極的首字母。P端為硼和矽的混合物端，N為磷和矽的混合物端，中間為“PN”結 。

左右兩部分摻加了硼、磷元素的矽形成“PN”結以後，會有新的特性。伏安特性曲線如下圖所示：

（1）晶體矽半導體兩端施加正向較低的0。7V左右電壓，正向導通，電壓稍微增大電流增加很快，電阻作用小，電流的導通性好。

原因是這樣的：在“PN”結處，會有一個內在電場。摻加磷元素的一端的自由電子偏移到摻加硼元素的一端，從而由於缺少了電子而形成正電場。同理，摻加了硼元素的一端形成了負電場。由於內在電場的存在，當摻加了磷元素的一端接電源負極時，電源中的電子比較容易流向“PN”結處的正電場，電源電子透過“PN”結後繼續流向摻加硼元素的一端，形成接通的迴路。

矽二極體內建電勢0。7V左右，外部電壓大於內建電壓則會導通二極體。

（2）當電源反向連線二極體時，摻加硼元素一端接電源負極，摻加磷元素一端接電源正極。摻加磷元素一端的自由電子流向電源正極，與內部電場方向相反，需要更高一些的電源電壓才能導通。一旦反向擊穿，摻加硼元素一端的原子狀態也會有變化，反向電流急劇增大，電壓會保持在一個臨界的穩定值。如果反向擊穿後電壓持續比較高，可能會燒燬二極體。

半導體電晶體中“PN”結的特殊性質，為半導體產品的發展和積體電路的出現提供了可能。半導體這種材料，在今天繼續發揮著很大的作用，以後會應用到更多的自動化和智慧化的產品中。

（圖片源於網路，侵刪。）