正反向偏置在二極管電路中的使用方式

正向偏置

在正向偏壓中，相對于結的 n 型側，正電壓被施加到 p 型側。以這種方式施加電壓時，p 型區(qū)中的空穴和 n 型區(qū)中的電子被迫朝向結。這減小了耗盡層的寬度。施加到 p 型材料的正電荷排斥空穴，而施加到 n 型材料的負電荷排斥電子。電子和空穴之間的距離隨著它們被推向結而減小。這降低了內置的勢壘。隨著正向偏置電壓的增加，耗盡層最終變得足夠薄，以至于內置電場不能再抵消穿過 PN 結的電荷載流子運動，從而降低電阻。穿過 PN 結進入 p 型材料的電子(或穿過 n 型材料的空穴)將在近中性區(qū)擴散。因此，近中性區(qū)的少數(shù)擴散量決定了可能流過二極管的電流量。

只有多數(shù)載流子(n 型材料中的電子或 p 型中的空穴)可以在宏觀長度上流過半導體?？紤]到這一點，請考慮電子穿過結的流動。正向偏壓在電子上產生一個力，將它們從 N 側推向 P 側。使用正向偏壓，耗盡區(qū)足夠窄，電子可以穿過結并注入 p 型材料。然而，它們不會無限期地繼續(xù)流過 p 型材料，因為在能量上有利于它們與空穴復合。電子在復合之前穿過 p 型材料的平均長度稱為擴散長度，通常為微米數(shù)量級。

盡管電子在復合之前僅穿透很短的距離進入 p 型材料，但電流不會中斷，因為空穴(多數(shù)載流子)開始以相反的方向流動，取代了少數(shù)載流子電子與之復合的空穴。總電流(電子和空穴電流的總和)在空間中是恒定的，因為任何變化都會導致電荷隨時間累積(這是基爾霍夫電流定律)?？昭◤?p 型區(qū)到 n 型區(qū)的流動與電子從 N 到 P 的流動完全相似(電子和空穴互換角色，所有電流和電壓的符號都顛倒了)。

因此，流經二極管的電流宏觀圖涉及電子流經n型區(qū)流向結，空穴以相反方向流經p型區(qū)流向結，兩種載流子在結的附近(由擴散長度給出)。電子和空穴以相反的方向行進，但它們也具有相反的電荷，因此根據(jù)需要，二極管兩側的總電流方向相同。

反向偏置

反向偏置通常是指二極管在電路中的使用方式。如果二極管反向偏置，則陰極電壓高于陽極電壓。因此，直到電場高到二極管擊穿時才會有電流流動。

因為 p 型材料現(xiàn)在連接到施加電壓的負側，p 型材料中的空穴被拉離結，導致耗盡層的厚度增加。同樣，因為 n 型區(qū)連接到正極，電子也會被拉離結。因此，耗盡層加寬，并且隨著反向偏置電壓的增加而增加。這增加了電壓勢壘，導致對電荷載流子流動的高阻力，從而僅允許非常小的電流通過 PN 結泄漏。

耗盡層電場的強度隨著反向偏置電壓的增加而增加。一旦電場強度增加超過臨界水平，PN 結耗盡層擊穿并且電流開始流動，通常是通過齊納擊穿或雪崩擊穿過程。這兩種擊穿過程都是非破壞性的并且是可逆的，只要流過的電流量沒有達到導致半導體材料過熱和熱損壞的水平。

這種效應在齊納二極管穩(wěn)壓器電路中發(fā)揮了很大的作用。齊納二極管的設計具有明確定義的低反向擊穿電壓。擊穿電壓的典型值為例如 6.2V。這意味著陰極電壓永遠不會比陽極電壓高 6.2V 以上，因為如果電壓升高，二極管會擊穿，從而導通。這有效地限制了二極管兩端的電壓。

使用反向偏置二極管的另一個應用是變容(可變電容)二極管。耗盡層充當二極管的兩個導電板或端子之間的絕緣體。電容是絕緣層寬度及其面積的函數(shù)。任何二極管的耗盡區(qū)寬度都會隨著施加的電壓而變化。這會改變二極管的電容。變容二極管特意設計為 PN 結的一側輕摻雜，因此二極管的那一側會有一個大的耗盡區(qū)。這個較厚的區(qū)域也將更多地受到施加的偏置電壓的影響，因此二極管的電容變化 (ΔC/ΔV) 將是施加的偏置的強函數(shù)。

審核編輯：湯梓紅