二極體的應用領域「二極體的應用步驟」

二極體（Diode），是一種只允許電流由單一方向流過的半導體器件。從二極體內部PN結引出兩個接線端子，當外加適當正向電壓時，二極體會導通，電流從陽極流向陰極，相反，在外加適當反向電壓時，二極體會截止而沒有電流通過，這就是單嚮導電性。

它的原理圖符號如下圖所示：

要理解二極體的單嚮導電特性，首先了解組成二極體的半導體材料：硅與鍺。

物質是由原子組成的，而原子由原子核與電子組成，原子核帶正電，電子帶負電，在正常情況下，原子核與電子的帶電數是一樣的，由於正負抵消，整個原子呈現電中性，即對外不顯電性。

通常電子以原子核為中心運動，這與太陽系中的行星繞著太陽公轉一樣，如下圖所示：

我們也常用下圖描述電子與原子核之間的關係：

原子核外圍的電子排列是有一定的規律，我們以下面這種方式來表達。

雖然看不懂你在說什麼，但好像很厲害的樣子，好在我們只需要了解最外層電子數，如上圖所示，最外層電子數為3

材料的穩定性由最外層電子數決定，一般最外層電子數少於4時為金屬性，大於4時為非金屬性，最外層電子數為8時最穩定，而當最外層電子數為4時，這種材料即容易失去電子，又容易得到電子。

我們的故事就是從最外層電子數為4的材料開始的，它們通常是硅（Si）或鍺（Ge），它們的原子結構如下所示：

下面我們以硅材料為例進行講解。

當一大堆的硅元素在一起生活時，由於每個硅元素的最外層電子數都是4，這種狀態是很不穩定的，大家雖然財力是一樣的，你不喜歡我，我也不是很瞧得起你，但既然要長久地生活在同一片天空，還是要忍辱負重形成一種相對穩定的狀態。前面我們提到最外層電子數為8是比較穩定的，於是它們商量了一下，與周圍的每個人共用一個電子，這樣每個硅元素的最外層電子數都最是8，達到了相對比較穩定的狀態，如下圖所示：

其中，被兩方共用的電子稱為價電子，而那一對電子形成共價鍵連接相鄰的兩個原子。

如果不出意外的話，這些生活在一起的硅元素必將和平共處相安無事，直到世界的盡頭，但是理想很豐滿，現實是骨感的，這種共價鍵的連接方式不是很穩定，它對溫度與光線很敏感！

如下圖所示，當受到溫度或光線的挑撥離間時，硅元素之間的共價電子會獲得足夠的能量從共價鍵中跳出來，我們將跳出來的電子稱為自由電子，而將該電子原來的位置稱為空穴（也就是座位了）

這些跳出的電子一旦多了起來，相應的空穴也會多起來，在外加電場或其它能源的作用下，鄰近價電子就可以填補到這個空位上，而在這個價電子原來的位置上就留下新的空位，以後其它電子又可轉移到這個新空位上，這樣就使共價鍵中出現一定的電荷，如下圖所示：

你可以認為是自由電子移動到了A位置，也可以認為是空穴從A位置的移動到了B位置，這種運動是相對的。

我們把由單一類型半導體元素的材料稱為本徵半導體，它是不含任何其它元素的結構完整的半導體晶體。當由於熱與光的因素，使價電子獲得足夠能量掙脫共價鍵的束縛而跳出成為自由電子時，我們稱這種現象為本徵激發，同時將自由電子與空穴稱為載流子。

本徵半導體中的載流子越多，則導電性能越好，因此當溫度越高時，更多的價電子會變成自由電子，相應的會有更多的空穴（它們之間也可能會不斷地複合），這樣載流子就更多了，自然導電性能越好。

很明顯，本徵半導體中的自由電子和空穴數量總是相等的，因為空穴的出現是因為電子的離開，就像一個人對應一個座位，沒有任何其它多餘的電子出現，也沒有多餘的空穴出現，成雙成對…

生活很愜意！

有一天，一個叫做硼元素的窮外鄉人進入了這個村莊，它的最外層電子數為3，加入到這個硅元素團體後，覺得硅元素的這種共價鍵生活方式不錯，也與它們商量也一下，與四周的鄰居共用4個電子，這樣形成了最外層電子數為7，雖然因為少了一個電子而多出了一個空穴，但這裡的硅元素都很好相處，少了就少了嘛，當村裡其它硅元素共價鍵因為溫度或光線的因素跳出自由電子時，這個自由電子就補住這個硼元素的這個空穴，這樣硼元素因為多了一個電子而成為不能移動的負離子，而之前的硅元素因為失去一下電子而成為空穴。

後來，越來越多的硼元素加入到這個村莊，每個加入的硼元素都因為同樣的原因多出一個空穴，同樣硼元素會因為得到電子變成負離子，這樣空穴就會越來越多。

我們把在硅本徵半導體中摻入的硼元素稱為雜質，摻入雜質後的本徵半導體稱為雜質半導體，雜質半導體分為P型半導體與N型半導體，而這個空穴占多數載流子的雜質半導體稱為P型半導體（空穴帶正電，Positive），如下圖所示：

此時少數載流子電子也是有的，只不過相對載流子空穴佔少數而已，日子就這麼一天天過下去了…

有個叫磷元素的富戶人家，它的最外層電子數為5，路過這個村一瞧，你丫的，全都是窮人，空穴滿天飛，於是拔腿就跑到了鄰近的硅元素村莊，只嫌沒多長條腿，要是遇到打劫那還了得，這麼多現金在身上真不方便。

這個鄰村還沒有來過外鄉人，村裡人雖然都不富有，但也很殷實，於是富人決定留下了，村裡人對它也很客氣，與它分享共用電子的生活方式，磷元素覺得不錯呀，於是也與周圍硅元素鄰居共用了4個電子，形成了最外層電子數為8的相對穩定結構，但這樣一來，自己就多出來了一個電子，富人琢磨了一晚上就決定不管了，誰想要誰要去，希望可以拉動本村的經濟，富人因為失去一個電子而成為不能移動的正離子。

正所謂物以類聚，人以群分，越來越多的磷元素加入了這個富村，每個加入的磷元素都會因為感恩而留出一個電子，這樣電子就會越來越多。

我們把電子占多數載流子的雜質半導體材料稱為N型半導體（電子帶負電，Negative），如下所示：

此時空穴載流子也是有的，只不過相對電子載流子佔少數而已，日子也就這麼一天天過下去了…

P型半導體窮村的村長一看N型半導體富村的發展情況，心裡不平衡了，於是找富村村長商量一下，可否把我們村的經濟情況帶動一下，都是一個鄉的，差距太大傳出去不好。富村村長稍一思量就答應了，同時跟村裡人傳達了一下，兩村合併如下圖所示：

剛剛合併的時候，N型半導體的電子載流子濃度很高，所以很多電子都往P型半導體那邊跑，並與其中的空穴複合。

這個合併的過程也可以認為是P型的空穴向N型擴散，因為電子的移動方向總是與空穴的移動方向相反的，總之是多數載流子向少數載流子區前進，如下圖所示：

我們把因濃度差而引起載流子由高濃度區域向低濃度區域的轉移，稱為擴散。

理論上講，兩個半導體合併之後，P型半導體中的多數載流子空穴與N型的多數載流子電子會全部複合，但合併開始後，每次電子與空穴的複合，都會相應產生正離子與負離子，它們將產生內部電場力阻礙由於濃度差而帶來的擴散。這個電場力會把P型半導體中的少數載流子電子往N型半導體中轉移，同時把N型導體中的少數載流子空穴往P型半導體中轉移。