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PN结二极管的特性和工作原理

在本教程中,我们将了解PN结二极管,特别是PN结二极管的特性和工作原理。这一认识将为进一步探索半导体电子学的不同方面奠定更好的基础。

简介

PN结是一种重要的结构单元,是半导体技术在电子领域不可或缺的结构之一。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),和模拟或数字集成电路(ICs)都在半导体技术中得到支持。

半导体二极管的激发特性是使电子只沿一个方向流过二极管;因此,它充当交流电流的整流器。半导体二极管中不可缺少的工作是了解半导体二极管的基础。

该二极管可以观察到作为一个直接的双极半导体器件。二极管的特性看起来是当电压加到它上时二极管产生的电流图。一个完美的二极管可以完全通过其电流和电压曲线来区分。

它允许电流仅向前流动,并有效地阻止反向的电流。认识到半导体完全是一种单晶材料是至关重要的,它是由两个截然相反的半导体块制成的。

其中一块掺杂三价杂质原子形成P区,P区作为受体,空穴作为主要载流子,相邻的一块掺杂五价杂质原子形成N区作为供体,电子作为主要载流子。

分裂n和p区域的边界被称为形而上的结合点。掺杂的浓度在每个区段都是相同的,在接点处掺杂会有突然的变化。当两个方块彼此靠近时,电子和空穴从高浓度区域扩散到低浓度区域。

在扩散过程中,N区电子向P区扩散,P区空穴向N区扩散。一旦空穴进入N区,它们将与供体原子重新结合。同时,供体原子吸收额外的空穴,成为带正电的静止供体原子。

从N区向P区扩散的电子与P区的受体原子重组。同时,受体原子吸收额外的电子,成为带负电的不移动的受体原子。

因此,在N侧结产生大量的正电荷离子,在P侧结产生大量的负电荷离子。

N区和P区净带正电荷和负电荷的离子诱发电位电场在形而上的连接处附近的空间里。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,称为空间电荷区。

它也可以被称为准中性区域。基本上,所有的电子和空穴都被电场扫出了自由空间电荷区。自由移动载流子损耗发生的锥形区域称为损耗区。

假设冶金结周围的损耗区具有边界明确的边界。它共同假设损耗区和自由空间电荷区之间的过渡是突然的。

损耗区包含n侧的预设正离子和p侧的预设负离子。损耗层的宽度与每个区域中掺杂剂的浓度成反比。

损耗区域内的电场产生一个相反的力,反对电子和空穴扩散归因于损耗区域内带电离子的影响。这种相反的力常被称为势垒电压。硅的势垒典型值为0.72V,锗的势垒典型值为0.3V。

当电场和势垒相互平衡时,达到平衡状态,产生连接损耗层两端的电位差Vo。净接触电位差取决于材料的类型,n型比p型高。

在热平衡状态下,势垒为n侧电子提供的势能比p侧电子低。能量带在自由空间电荷区弯曲,因为传导和价带位置相对于费米能级在P区和N区之间发生变化。

在这种平衡状态下没有电流传导,由于扩散电流和漂移电流抵消了电子和空穴的电流。内置的势垒维持了N区多数载流子与P区少数载流子之间以及P区多数载流子与N区少数载流子之间的平衡。

内建势垒也可以估计为P区和N区内建费米能级的区别。

PN结二极管是一种可以用作整流器、逻辑门、稳压器、开关器件、电压依赖性电容的二极管,在光电子领域可以用作光电二极管、发光二极管(LED)、激光二极管、光探测器或电子领域的太阳能电池。

PN结二极管的工作

如果在PN结的两端施加一个外接电位,它将改变P区和n区之间的电位。这种电位差可以改变大多数载流子的流动,因此PN结可以作为电子和空穴扩散的机会。

如果施加的电压降低了损耗层的宽度,那么二极管被假定为正向偏置,如果施加的电压增加了损耗层的宽度,那么二极管被假定为反向偏置。如果损耗层的宽度没有改变,则处于零偏置状态。

  • 正向偏压:外部电压降低了内置的势垒。
  • 反偏见:外部电压增加了内置的势垒。
  • 零偏差:不施加外部电压。

无外部电压时PN结二极管

在零偏置或热平衡状态下,结势为p侧孔提供的势能高于n侧孔。如果结二极管的终端短路,P侧的大多数载流子(孔)有足够的能量跨越势垒穿过损耗区。

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。以类似的方式,N侧的空穴反向穿过损耗区,以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结中的迁移,允许少数载流子在PN结中漂移。因此,当大多数载流子在结的两边浓度相等,而当少数载流子向相反的方向移动时,就建立了平衡状态。

电路中有净零电流流动,而结处称为动态平衡。通过提高半导体的温度,不断产生少数载流子,因此泄漏电流开始上升。一般情况下,由于没有外部电源连接到PN结,所以不会发生电流传导。

正向偏置Pn结二极管

随着外加电压的增加,P区和N区之间的电位差发生变化。当源的正极连接到P端,负极连接到N端,则称结二极管在正向偏置条件下连接。正向偏置降低了PN结的电位。

N和P区的大部分载流子被吸引向PN结,损耗层的宽度随着大部分载流子的扩散而减小。外部偏置导致偏离平衡状态和P区和N区以及损耗层的费米能级失调。

因此,电场的诱导方向与所含电场的方向相反。损耗层中两个不同费米能级的存在代表了一种准平衡状态。储存在二极管中的电荷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,在特定值时,损耗区变得非常薄,因此大量的多数载流子可以穿过PN结并传导电流。流入内置电势的电流称为零电流或膝电流。

正向偏置二极管特性

随着外加正向偏压的增加,损耗层宽度变薄,PN结二极管的正向电流在正向I-V特性曲线的KNEE点后开始突然增加。

首先,由于接触电位和相关电场的存在,存在少量被称为反向饱和电流的电流。当电子和空穴自由地穿过结时,产生与反向饱和电流方向相反的扩散电流。

应用正向偏置的最终结果是将势垒的高度降低了一定eV的数量。PN结二极管中的主要载流子电流以eV/kT的指数因子增加。结果电流的总量变成I = I*exp (eV / kT),我年代是恒定的。

多余的自由多数载流子空穴和电子分别进入N区和P区,充当少数载流子并在N区和P区与局部多数载流子重组。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,即不是一条直线。这种正向特性表明,在PN结的工作过程中,电阻不是恒定的。PN结二极管的正向特性斜率很快就会变得非常陡。

这表明在结二极管的正向偏置中,电阻非常低。正向电流的值与外部电源成正比,与结二极管的内阻成反比。

应用正向偏置到PN结二极管导致结二极管的低阻抗路径,允许传导称为无限电流的大量电流。随着少量外电的应用,这一大量电流开始在正向特性的膝关节点以上流动。

在损耗层的作用下,跨结或两个N和P区域的电位差保持恒定。要传导的最大电流被负载电阻所限制,因为当二极管传导的电流超过二极管的通常规格时,多余的电流会导致热量的耗散,也会导致器件的严重损坏。

反向偏置PN结二极管

当源的正极连接到N端,负极连接到P端,则称结二极管连接到反向偏置状态。在这种类型的连接中,大多数载流子被各自连接到PN结的电池端吸引离开耗尽层。

N侧的费米能级比P侧的费米能级低。正极吸引电子远离N侧结,负极吸引空穴远离P侧结。其结果是,势垒宽度增大,阻碍了大多数载流子在N侧和P侧的流动。

自由空间电荷层的宽度增大,因此PN结处的电场增大,PN结二极管充当电阻。但是二极管作为电阻器的时间很短。在PN结不会发生大多数载流子的重组;因此,没有传导电流。

流过PN结二极管的电流是小泄漏电流,这是由于损耗层产生的少数载流子或流过PN结的少数载流子造成的。最后,结果是损耗层宽度的增长呈现出作为绝缘体的高阻抗路径。

在反向偏置条件下,随着外加电压的增加,没有电流流过PN结二极管。然而,由于少数载流子在PN结二极管流动的泄漏电流可以用微安测量。

随着PN结二极管反向偏置电位的增大,最终导致PN结反向电压击穿,二极管电流由外部电路控制。反向分解取决于P和N区域的掺杂水平。

随着反向偏置的进一步增大,PN结二极管由于电路过热和最大电路电流在PN结二极管中流动而发生短路。

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,从图中第一象限开始,如果施加到二极管上的输入电压低于阈值电压(Vr),则正向偏置中的电流非常低。阈值电压又称为切入电压。

一旦正向偏置输入电压超过插入电压(锗二极管0.3 V,硅二极管0.6-0.7 V),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如上图第四象限所示。反向偏压中的电流很低,直到击穿达到,因此二极管看起来像开路。当反向偏压输入电压达到击穿电压时,反向电流显著增加。

PN二极管的理想和实际特性

对于理想的特性,PN结二极管中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,在整个结二极管中是恒定的。

PN结二极管的实际特性随施加在结上的外加电位变化而变化,从而改变结二极管的性能。结二极管在正向偏置时起短路作用,在反向偏置时起开路作用。

总结

  • 半导体包含导体和绝缘体中间的性质。
  • 常用的半导体材料是硅。
  • 半导体含有电子和空穴作为载流子。
  • 半导体中的载流子可以在整个器件中自由移动,因此被称为移动载流子。
  • 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。
  • 固有半导体是最纯净的半导体,因为它们里面没有任何杂质。
  • 外源半导体含有被称为掺杂剂的杂质,它会改变半导体的电学特性。
  • 外源半导体分为两类。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主要的碳载流子。
  • p型杂质被称为受体,因为它们含有孔洞作为多数载流子。
  • PN结是在单晶中通过连接两个n型和p型半导体而形成的。
  • PN结二极管是一种双端器件,二极管的特性取决于施加到PN结二极管上的外部电位的极性。
  • N和P半导体的结是免费载流子;因此该区域被称为损耗区。
  • 损耗区宽度随外加电位的变化而变化。
  • 当PN结不外加外加电位时,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。
  • 当结偏向于正向时,大多数载流子被吸引到结处并在结处得到补充。在这种情况下,损耗区域的宽度减小,随着外部电位的增加,二极管充当短路,允许最大数量的电流流过它。
  • 当结二极管向相反方向偏置时,大多数载流子被各自的端子吸引到远离PN结的地方,从而避免了电子和结处空穴的扩散。由于在结处有少数载流子,会有少量电流称为泄漏电流。这种小电流称为漂移电流。当反向偏置电位进一步增加时,二极管充当开路,从而阻塞流过它的电流。

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