第7讲:二极管与LED

下面我们将要讨论这样一种元件,它只允许电流单向流动,而且和施加电压的类型无关,我们把这样的元件称为二极管。

二极管

二极管,这个名词来自希腊单词Diode,前缀Di表示2的意思,Ode表示一条通道,也就是说二极管是指这个元件内部包含两个连接端。二极管在现代电子电路中有着广泛的用途,其制造的材料和工艺都有很多种。不过,所有的二极管都有一个共同的特性:只允许电流向一个方向流动

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当我们将两块不同的金属相互接触,做一个最简单的电路连接,这就完成了一个简单的二极管。早期的无线电接收器中使用的就是这样一种简单的二极管。把小的方铅矿晶体放在铅盒内就构成了一个二极管的一部分(铅是一种灰色的软金属,方铅矿是一种含铅的矿石)。将一根细导线和方铅矿表面接触,如果你找到方铅矿晶体正确的触点就可以用耳机接收到无线电信号。如上图,我们仍然利用二极管来检测接受的无线电信号,二极管将信号改变为你可以听到的类型。

下图绘制的是电路图中表示二极管的符号。箭头端有一根小竖线的一端为负极,箭头端的相反端为正极。

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二极管是怎样工作的呢?我们来看一个简单的电路图。首先,将二极管的正极和电池的正极相连,二极管的负极与电池的负极相连。看左图,当二极管的负极以这样的方式连接好后就会有电流流过二极管,我们说二极管是正向偏压。

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现在我们把电源反向连接二极管,右图是连接好的电路。这一次电池正极与二极管负极相连,电池负极与二极管正极相连。这种情况下,电路中没有电流经过。

现代电子电路中使用的二极管大多数都是由半导体材料制造的,半导体的工作电压较低,结实可靠,因此,它只有非常小的热能损耗,这些都是用半导体材料制作二极管的优点。目前还有部分电路使用电子管二极管,不过这些电子二极管已经不再普及。

在课程的前面部分你已经对半导体材料有所了解,现在你可能很想知道怎样使用半导体材料来制作二极管。嗯,第一步,需要记得二极管由两个部分组成。为了制造固态二极管,我们需要两块半导体材料,因为半导体材料只有两种类型的材料:P型和N型,所以我们需要每种类型各取一块。

我们通过把两块半导体材料连接就构成了一块二极管材料。N型和P型材料在中间相互接触,从而形成了一个PN结。引起我们兴趣的正是这两种材料中间的这个PN结。

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制造商是如何制造形成PN结的呢?他们通常先选择一块P型和N型半导体材料,然后把这块半导体材料表面的一个很小区域通过掺杂改变为另一种半导体材料类型。具体过程可参见下图,厂商在制造PN结时需要几个工艺过程,不过在本次课程中我们没有必要去了解这些具体的细节。

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好了,你已经大概了解了制造商如何制造一个二极管,现在你或许想知道二极管是如何工作的了。在我们将二极管接入电路之前,将会发生很有趣的事情。N型半导体材料中的自由电子会穿过PN结,填充到P型半导体材料的空穴中!这个过程产生两个结果。首先,在PN结附近的区域不再有空穴或自由电子,我们称这个区域为耗尽区。这是因为空穴和自由电子,或者叫半导体电荷载体已经耗尽,具体情况参看下图:

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你也许会提问:“为什么不是N型半导中的所有电子都穿过PN结,并填充到P型半导体的空穴中呢?”这是个很好的问题。随着一部分电子穿过PN结,N型半导体中的杂质电子带有了正电荷(原子是不带电,但如果失去了电子,那么它将带有正电荷;如果得到了电子,将带负电荷)。随着自由电子填充到P型半导体的空穴中,P型半导体中的受主原子得到了多余的电子,成为负电荷。这是因为它们现在有了多余的电子。P型半导体中的空穴也可以向N型半导体移动,这个移动过程在P型半导体中留下负电荷,在N型半导体中留下了正电荷。

电子和空穴穿过PN结的移动对半导体材料的影响效果相同。这个运动使的在N型半导体材料中留下正电荷,在P型半导体中留下负电荷。随着耗尽区的扩大,在PN结P这一侧的负电荷增加,这会阻止更多的电子穿过PN结。在PN结N这一侧的正电荷也增大,从而吸引着电子返回N型半导体。

电荷也会阻止更多的空穴穿过PN结进入N型半导体材料一侧。下图为这些电荷对耗尽区所产生的影响,这些电荷阻止了耗尽区的进一步扩大。电子和空穴穿过PN结的移动会产生电荷,这是这个移动过程的第二个影响。

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现在你已经开始了解晶体二极管的结构。让我们把一个二极管接入到电路中,来看看将会发生什么?下图为一个二极管/电流表和电池串联的电路。在电路中,电池正极与P型半导体连接,电池负极与N型半导体连接。你已经学过,同种电荷互相排斥,异种电路相互吸引,所以电池的负极会排斥N型半导体中的额外电子。与之相似,电池正极排斥P型半导体中的空穴中(空穴担当正电荷的角色)。

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你可能很想知道,是不是所有电子都会脱离半导体,然后电流将会停止呢?这样会损坏半导体么?不用担心所有的电子都会逃脱!每当一个自由电子离开半导体材料时,电流负极就会有一个新的电子进入到N型半导体中。电池的一个目的就是提供保持电路中电流流动所需要的电子。

晶体结构中的受主杂质原子和施主杂志原子会设法保证半导体中的电子数量与初始时相等。所以当我们移去二极管上电压后,半导体材料会返回到初始的状态,因此你不能通过二极管接到电路中来移去半导体中的自由电子和空穴。
现在让我们把电池和二极管反向连接,如图所示。这次电池负极与P型半导体相连,电池正极与N型半导体相连。记住,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,所以电池的负极会排斥P型半导体中的自由电子,吸引它的空穴,而电池的正极会排斥N型半导体中德空穴,吸引它的电子。由于空穴和电子脱离PN结,使得耗尽区变大。因为耗尽区太大,电子和空穴无法穿过耗尽区,所以不再有电流产生。

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当电源正极与二极管的P端相连,负极与二极管的N端相连时,二极管PN结为正向偏压结,正向偏压二极管可以允许电流经过。而当电压极性调换时,二极管PN结为反向偏压,反向偏压二极管不允许电流经过。

发光二极管

LED是发光二极管的英文缩写(Light Emitting Diode),由镓(Ga)与砷(As)、磷(P)、氮(N)、铟(In)的化合物制成的二极管,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光,铟镓氮二极管发蓝光。

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它是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

结构

LED是特殊的二极管,和普通二极管一样由半导体芯片组成。半导体芯片是LED的核心,它附着在基底上,直接连接负极,正极则由导线连接阳极接柱,由反射碗增强芯片的照明效果,整个芯片被环氧树脂封装起来。

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发光二极管由半导体芯片组成,半导体芯片分为两个部分。一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。当这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“PN结”。这些半导体材料会预先透过注入或掺杂灯工艺产生P、N架构,当电流通过导线作用于芯片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量。

极性

发光二极管的两根引线中较长的一根为正极,应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长,但管壳上有一凸起的小舌,靠近小舌的引线是正极。

LED只能往一个方向导通,叫作正向偏置,当电流流过时,电子与空穴在其内复合而发出单色光,这叫电致发光效应,而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率,在近几年来已经有明显的提升,同时,在每千流明的购入价格上,也因为投入市场的厂商相互竞争的影响,而明显下降。虽然越来越多人使用LED照明作办公室、家具、装饰、招牌甚至路灯用途,但在技术上,LED在光电转换效率上仍然低于新型的荧光灯,是国家以后发展民用的去向。

实验:LED能否反接?

下面我们一起使用磁力电子学积木完成一个实验,我们继续沿用课程最初给大家介绍的简单电路,电路中串联接入了电池模块、自锁开关模块和LED模块,我们可以尝试调换LED模块的极性看看LED是否都能亮灯。

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