PN結二極管符號和靜態(tài)特性

當p型半導體熔合到n型半導體時，形成PN結二極管，在二極管結上產生勢壘電壓

前一個教程中描述的效果這是在沒有任何外部電壓施加到實際PN結的情況下實現(xiàn)的，導致結處于平衡狀態(tài)。

但是，如果我們要在N型和N端的兩端進行電氣連接。 P型材料然后將它們連接到電池源，現(xiàn)在存在額外的能量來克服勢壘。

添加這種額外能源的效果導致自由電子能夠穿過耗盡區(qū)從一側到另一側。關于勢壘寬度的PN結的行為產生不對稱導電的雙端子器件，更好地稱為PN結二極管。

A PN結二極管是最簡單的半導體器件之一，它具有僅在一個方向上通過電流的特性。然而，與電阻器不同，二極管相對于施加的電壓不表現(xiàn)為線性，因為二極管具有指數電流 - 電壓（IV）關系，因此我們不能通過簡單地使用諸如歐姆定律的等式來描述其操作。 / p>

如果在PN結的兩端之間施加合適的正電壓（正向偏壓），它可以提供自由電子和空穴，它們需要額外的能量穿過結，作為耗盡層的寬度通過施加負電壓（反向偏壓）導致自由電荷從結被拉開導致耗盡層寬度增加，因此PN結周圍的電壓降低。

這具有增加或減小結自身的有效電阻的效果，允許或阻止電流流過二極管。

然后耗盡層隨著反向電壓的施加而增寬并且隨著增加正向電壓的應用。這是由于PN結兩側的電特性差異導致發(fā)生物理變化。其中一個結果產生了PN結二極管靜態(tài)I-V（電流 - 電壓）特性中的整流。當偏置電壓的極性如下所示改變時，通過非對稱電流顯示整流。

結二極管符號和靜態(tài)IV特性

但在我們將PN結用作實際器件或整流器件之前，我們首先需要偏置結，即連接電壓電位穿過它。在上面的電壓軸上，“反向偏壓”是指增加勢壘的外部電壓電位。據說降低勢壘的外部電壓在“正向偏置”方向上起作用。

標準結型二極管有兩個工作區(qū)和三個可能的“偏置”條件這些是：

1。零偏置 - PN結二極管沒有施加外部電壓。

2。反向偏壓 - 電壓電位連接到負極，（ - ）連接到P型材料，正極，（+ ve）連接到二極管上的N型材料，其效果增加PN結二極管的寬度。

3。正向偏壓 - 電壓電位正向，（+ ve）連接到P型材料，負極（-ve）連接到二極管上的N型材料，具有降低<的作用/ b> PN結二極管寬度。

零偏壓結二極管

當二極管連接在零偏壓狀態(tài)時，沒有外部勢能施加到PN結。然而，如果二極管端子短接在一起，P型材料中的幾個孔（多數載流子）具有足以克服勢壘的能量將穿過結抵抗該勢壘電勢。這被稱為“正向電流”，并被引用為 I F

同樣地，在N型材料（少數載流子）中產生的空穴發(fā)現(xiàn)這種情況是有利的并且在相反方向上穿過結。這被稱為“反向電流”，并被引用為 I R 。這種電子和空穴在PN結上來回傳遞稱為擴散，如下所示。

零偏壓PN結二極管

現(xiàn)在存在的潛在障礙阻礙了更多多數載流子在整個交界處的擴散。然而，勢壘有助于少數載流子（P區(qū)中的自由電子很少，N區(qū)中的空穴很少）在結點上漂移。

然后將建立“均衡”或平衡。多數載流子相等并且都在相反的方向上移動，因此最終結果是在電路中流動的零電流。當發(fā)生這種情況時，結被認為處于“動態(tài)平衡”狀態(tài)。

少數載流子由于熱能不斷產生，所以這種平衡狀態(tài)可以被打破通過提高PN結的溫度導致少數載流子的產生增加，從而導致漏電流增加，但由于沒有電路連接到PN結，電流不能流動。

反向偏置PN結二極管

當二極管連接在反向偏置狀態(tài)時，正電壓施加到N型材料，負電壓施加到P - +型材料。

施加在N型材料上的正電壓吸引電子朝向正極并遠離結，而P型端的孔也被吸引遠離結點。負電極。

最終結果是耗盡層由于缺乏o而變寬f電子和空穴并呈現(xiàn)高阻抗路徑，幾乎是絕緣體。結果是產生了高勢壘，從而阻止電流流過半導體材料。

由于反向偏壓引起的耗盡層增加

此條件表示PN結的高電阻值，實際上零電流流過結二極管，偏置電壓增加。然而，一個非常小的漏電流確實流過結，可以用微安表來測量（μA）。

最后一點，如果施加到二極管的反向偏置電壓 Vr 增加到足夠高的值，則會導致二極管的PN結過熱并由于結點周圍的雪崩效應而失效。這可能導致二極管短路并導致最大電路電流流動，這在下面的反向靜態(tài)特性曲線中顯示為向下傾斜。

結型二極管的反向特性曲線

有時這種雪崩效應在穩(wěn)壓電路中具有實際應用，其中與二極管一起使用串聯(lián)限制電阻將該反向擊穿電流限制在預設的最大值，從而在穩(wěn)壓電路上產生固定電壓輸出。二極管。這些類型的二極管通常稱為齊納二極管，將在后面的教程中討論。

正向偏置PN結二極管

當二極管連接在正向偏置<在條件下，向N型材料施加負電壓，并且向P型材料施加正電壓。如果該外部電壓變得大于勢壘的值，則約。硅為0.7伏，鍺為0.3伏，電位阻擋將被克服，電流將開始流動。

這是因為負電壓推動或排斥電子朝向結點，使它們能夠交叉通過正電壓在相反方向上朝向結點推動的孔上方并與之結合。這導致零電流流向該電壓點的特性曲線，在靜態(tài)曲線上稱為“拐點”，然后流過二極管的高電流，外部電壓幾乎沒有增加，如下所示。

結型二極管的正向特性曲線

在結型二極管上應用正向偏置電壓在耗盡層中變得非常薄且窄，這表示通過結的低阻抗路徑，從而允許高電流流動。電流突然增加的點在上面的靜態(tài)IV特性曲線上表示為“拐點”。

由于正向偏差導致的耗盡層減少

此條件表示通過PN結的低電阻路徑，允許非常大的電流流過二極管，偏置電壓只有很小的增加。耗盡層的作用使得結或二極管上的實際電位差保持恒定，對于鍺約為0.3v，對于硅結二極管約為0.7v。

由于二極管可以在該拐點之上傳導“無限”電流，因為它實際上變成短路，因此電阻器與二極管串聯(lián)使用以限制其電流。超過其最大正向電流規(guī)格會導致器件以熱量的形式耗散更多的功率，從而導致器件快速失效。

結型二極管概述

結型二極管的PN結區(qū)具有以下重要特性：

半導體包含兩種類型的移動電荷載體， “孔”和“電子”。

當電子帶負電時，空穴帶正電。

半導體可摻雜有供體諸如銻（N型摻雜）之類的雜質，因此它包含主要是電子的移動電荷。

半導體可能摻雜有受體雜質，如硼（P型摻雜）因此，它包含主要是空穴的移動電荷。

結區(qū)本身沒有電荷載流子，被稱為耗盡區(qū)。

結（耗盡）區(qū)域的物理厚度隨施加的電壓而變化。

當二極管零偏壓時無外部施加能量源并在耗盡層上形成自然的勢壘，對于硅二極管約為0.5至0.7v，對于鍺二極管約為0.3伏。

當結二極管正向偏置時，耗盡區(qū)的厚度減小，二極管就像一個短路，允許全電流流過。

當結二極管反向偏置時，耗盡區(qū)的厚度增加，二極管的作用類似于阻斷任何電流的開路（僅有非常小的漏電流）。

我們上面還看到，二極管是兩端非線性器件，其IV特性與極性相關，具體取決于所施加電壓的極性， V D 二極管正向偏置， V D > 0 或反向偏置， V d <0 。無論哪種方式，我們都可以為理想二極管和實際硅二極管建模這些電流 - 電壓特性，如圖所示：

結型二極管理想和真實特性

在下一個關于二極管的教程中，我們將看一下小信號二極管，有時稱為開關二極管，用于一般電子電路。顧名思義，信號二極管專為低壓或高頻信號應用而設計，如無線電或數字開關電路。

信號二極管（例如1N4148）僅傳遞非常小的電流，而不是通常使用硅二極管的高電流電源整流二極管。同樣在下一個教程中，我們將檢查信號二極管的靜態(tài)電流 - 電壓特性曲線和參數。