PN结二极管的特性及工作原理

在本教程中,我们将学习PN结二极管,特别是PN结二极管的特性和工亚博彩票下载作原理。这将为进一步探索半导体电子学的各个方面打下更好的基础。亚博最新官网网址

介绍

PN结是半导体技术在电子领域中不可或缺的重要组成部分之一。亚博最新官网网址电子元件,如双极结晶体管,结fet和mosfet,或二极管,如发光二极管(led),模拟或数字集成电路(ic)都支持在半导体技术。

半导体二极管的激励特性使电子只沿一个方向通过半导体二极管;因此,它充当交流电的整流器。半导体二极管中不可缺少的操作是理解所有半导体二极管的基础。

该二极管可以观察为一个简单的双极半导体器件。二极管的特性看起来是当一个二极管施加电压时产生的电流的图表。一个完美的二极管绝对可以通过它的电流和电压曲线来区分。

它只允许电流正向流动,有效地阻止电流反向流动。重要的是要认识到半导体完全是一种单晶材料,由两个不同的半导体块相反的类型。

一个嵌段掺杂三价杂质原子,形成P区作为受体,空穴作为多数载流子,相邻嵌段掺杂五价杂质原子,形成N区作为供体,电子作为多数载流子。

分裂n和p区域的边界称为形而上结合点。各区段的掺杂浓度完全相同,在交接处会发生掺杂突变。当这两个块离得更近时,电子和空穴从高浓度区域向低浓度区域扩散。

在扩散过程中,N区的电子向P区的扩散,而P区的空穴向N区的扩散。一旦空穴进入N区,它们将与供体原子重新结合。同时,供体原子允许额外的空穴,成为带正电荷的静止供体原子。

从N区向P区扩散的电子在P区与受体原子重新结合。同时,受体原子吸收额外的电子,成为带负电荷的固定受体原子。

结果,在N侧的连接处产生大量带电的离子,并且在P侧的连接处产生大量带负电离子。

N和P区域内的净正负电荷离子在接近形而上学接点的空间中诱发一个电场。当电场较小且自由载流子密度与净掺杂密度相等时,将这两个区域合并为空间电荷区。

它也可以称为准中性区域。从根本上,所有电子和孔都通过电场扫除自由空间电荷区域。在发生游离移动电荷载体的逐渐变锥形区域被称为耗尽区域。

假设冶金结周围的耗尽区域具有明确定义的边缘。它结合假设耗尽区域和自由空间电荷区域之间的过渡突然。

耗尽区包含n侧的预设正离子和p侧的预设负离子。耗尽层的宽度与各区域中掺杂剂的浓度成反比。

耗尽区域内的电场产生相对的力,该相对的力使得电子和孔与耗尽区域内带电离子的冲击贡献贡献。该相对的力通常可以被引用为潜在的阻挡电压。硅潜在屏障的典型值为0.72V,锗是0.3V。

当电场和屏障电位彼此平衡时,达到平衡状态,导致连接耗尽层的两侧的电位差Vo。净接触电位差异取决于材料的类型,n型高于p型。

在热平衡状态下,势垒势为n侧电子提供的势能比p侧电子低。能带在自由空间电荷区弯曲,因为导带和价带位置相对于费米能级在P和N区域之间变化。

在这种平衡状态下不会导通电流,并且由于扩散和漂移电流而取消电子和孔的电流。内置屏障潜力在P区域中N区和少数电荷载波中的多个电荷载波之间的平衡保持在P区域中的多个电荷载波和N区域中的少数电荷载波之间。

内建势垒也可以用P和N区域内建费米能级的区别来估计。

PN结二极管是一种可以用作整流器,逻辑门,稳压,开关器件,电压依赖电容器的二极管,在光电子学作为光电二极管,发光二极管(LED),激光二极管,光电探测器,或太阳能电池在电子。亚博最新官网网址

PN结二极管的工作原理

如果在PN结的两端施加外加电势,将改变P区和n区之间的电势。这种电位差可以改变多数载流子的流动,从而使PN结成为电子和空穴扩散的机会。

如果施加电压使耗尽层宽度减小,则假定二极管处于正向偏压,如果施加电压使耗尽层宽度增大,则假定二极管处于反向偏压。如果耗尽层的宽度不改变,则处于零偏置状态。

  • 正向偏压:外部电压降低内置电位屏障。
  • 反偏见:外部电压增加内置势垒。
  • 零偏见:不应用外部电压。

PN结二极管时,没有外部电压的应用

在零偏置或热平衡状态下,结势为p侧的空穴提供了比n侧更高的势能。如果结型二极管的端部短路,则P侧的多数载流子(空穴)有足够的能量跨越耗尽区势垒。

因此,在空穴的帮助下,电流开始在二极管中流动,称为正向电流。类似的,N侧的空穴以相反的方向穿过耗尽区,这种方式产生的电流称为反向电流。

势垒阻止电子和空穴在PN结上的迁移,允许少数载流子在PN结上漂移。因此,当结合部两侧的多数载流子浓度相等,而少数载流子方向相反时,就建立了平衡状态。

电路中流过的净电流为零,因此结点处于动态平衡状态。通过提高半导体的温度,少数载流子不断产生,从而泄漏电流开始上升。一般来说,由于没有外部电源连接到PN结,所以没有电流传导。

正偏Pn结二极管

通过外部施加的电压,在P和N区之间改变电位差。当源的正极端子连接到P侧并且负端子连接到N侧,然后将结二极管连接到向前连接偏见条件。向前偏置降低了PN交界处的潜力。

N和P区域的多数载流子被吸引到PN结,耗尽层的宽度随着多数载流子的扩散而减小。外部偏置导致了平衡态的偏离和P区、N区以及耗尽层的费米能级的失调。

所以一个电场被诱导的方向与合并电场的方向相反。耗尽层中两个不同的费米能级的存在代表了准平衡状态。储存在二极管中的电荷量Q与流过二极管的电流I成正比。

随着正向偏置的增加大于内置电位,在特定值下耗尽区域变得非常薄,以便大量载流子能够通过PN结并导电。上涌形成内置电势的电流称为零电流或膝关节电流。

正向偏压二极管特性

随着外加正向偏置的增加,耗尽层宽度变薄,PN结二极管的正向电流在正向I-V特性曲线的KNEE点之后开始急剧增加。

首先,由于存在接触电位和相关电场,存在少量称为反向饱和电流的电流。虽然电子和孔自由地交叉,但导致在相反方向上流到反向饱和电流的扩散电流。

施加正向偏压的最终结果是使势垒高度降低一个eV。PN结二极管的多数载流子电流以eV/kT的指数因子增加。因此,电流总量变为I = I*exp (eV / kT),我S.是恒定的。

多余的自由多数载流子空穴和电子分别进入N和P区域,作为少数载流子,并与N和P区域的局部多数载流子重新结合。这个浓度随着距离PN结的距离而减小,这个过程被称为少数载流子注入。

PN结二极管的正向特性是非线性的,即不是直线。这种类型的正向特性表明,电阻不是恒定的工作期间的PN结。PN结二极管正向特性的斜率很快就会变得非常陡。

这表明结型二极管的正偏电阻非常低。正向电流的大小与外部电源成正比,与结型二极管的内阻成反比。

应用正向偏压到PN结二极管导致结二极管的低阻抗路径,允许导电大量的电流称为无穷大电流。通过施加少量的外部电位,这一巨大的电流开始以正向特性流过膝关节上方。

在耗尽层的作用下,两个N、P区域的电位差保持不变。最大电流被负载电阻限制,因为当二极管传导的电流超过二极管的通常规格时,过量的电流会导致热量的消散,也会导致设备的严重损坏。

反向偏置PN结二极管

当源的正端连接到N端,负端连接到P端,则称结二极管处于反向偏置状态。在这种连接方式中,大多数载流子被它们各自连接到PN结的电池端吸引离开耗尽层。

N侧的费米能级低于P侧的费米能级。正极吸引电子远离N边的结,负极吸引空穴远离P边的结。势垒宽度的增加阻碍了N侧和P侧多数载流子的流动。

自由空间电荷层的宽度增加,因此PN结处的电场增加,PN结二极管充当电阻。但二极管作为电阻器的时间很短。在PN结处不会发生多数载波的重组;因此,没有电流传导。

流过PN结二极管的电流是小的泄漏电流,这是由耗尽层产生的少数载流子或漂过PN结的少数载流子造成的。最后,结果表明耗尽层宽度的增长呈现出一个高阻抗路径,它起到绝缘体的作用。

在反向偏置条件下,没有电流流过PN结二极管随着施加的外部电压的增加。然而,由少数载流子在PN结二极管中流动引起的泄漏电流可以用微安培来测量。

随着PN结二极管的反向偏置电位最终导致PN结反向电压击穿,并且二极管电流由外部电路控制。反向击穿取决于P和N区域的掺杂水平。

随着反向偏置的进一步增加,PN结二极管由于电路过热和最大电路电流在PN结二极管短路。

反向偏置二极管特性

PN结二极管的V-I特性

在结型二极管的电流-电压特性中,如果二极管的输入电压低于阈值电压(Vr),则从图中的第一象限开始,正向偏置电流非常低。阈值电压又称为接入电压。

当正向偏置输入电压超过输入电压(锗二极管为0.3 V,硅二极管为0.6-0.7 V)时,电流显著增加,导致二极管短路。

二极管的反向偏置特性曲线示于上图的第四象限中。反向偏置中的电流低至达到击穿,因此二极管看起来像开路。当反向偏置输入电压达到击穿电压时,反向电流壮观地增加。

PN二极管的理想和实际特性

对于理想的特性,PN结二极管的总电流在整个结二极管中是恒定的。单个电子和空穴电流是连续函数,并且在整个结型二极管中是恒定的。

PN结型二极管的实际特性随外加电势的变化而变化,这种变化改变了结型二极管的特性。结型二极管在正向偏置中起短路作用,在反向偏置中起开路作用。

总结

  • 半导体包含了导体和绝缘体之间的特性。
  • 用于半导体的常用材料是硅。
  • 半导体包含电子和空穴作为载流子。
  • 半导体中的载流子在整个器件中自由移动,因此它们被称为移动载流子。
  • 空穴是带正电的粒子,而电子是带负电的粒子。
  • 载流子负责传导电流。
  • 半导体有两种类型,即内在半导体和外在半导体。
  • 本征半导体是最纯净的半导体,因为它们没有任何杂质。
  • 外部半导体含有称为掺杂剂的杂质,改变半导体的电性能。
  • 外部半导体分为两类。它们是n型和p型。
  • n型杂质被称为给体,因为它们含有电子作为多数电荷载流子。
  • p型杂质被称为受体,因为它们含有作为多数载流子的空穴。
  • PN结是通过连接两个n型和p型半导体在单晶中形成的。
  • PN结二极管是两个终端设备,二极管的特性取决于施加到PN结二极管的外部电位的极性。
  • N和P半导体的连接是不含电荷载体的连接;因此该区域称为耗尽区。
  • 耗尽区宽度随外加电势的变化而变化。
  • 当PN结没有外加电势时,这种情况称为零偏置。硅二极管的结电位为0.6V - 0.7V,锗二极管的结电位为0.3V。
  • 当结正向偏置时,多数载流子被吸引到结,并在结处得到补充。在这种情况下,耗尽区宽度减小,并随着外部电位的增加二极管充当短路,允许通过它的最大电流量。
  • 当结二极管沿相反方向偏置时,大多数电荷载体被远离PN结的相应端子吸引,从而避免了电子和孔在结处的扩散。由于交界处的少数竞争载体,将有少量电流称为漏电流。这种小电流称为漂移电流。当进一步增加反向偏置电位时,二极管充当开路,从而阻挡电流流过它。

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