PN结二极管的特点和工作

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作。这种理解将更好地探索半导体电子器件的不同方面。

介绍

PN结是一个重要的构建块，它是电子设备中的半导体技术提供的不可缺少的结构之一。诸如双极结晶体管，结FET和MOSFET的电子元件，或诸如发光二极管（LED）的二极管，以及模拟或数字集成电路（IC）全部支持半导体技术。

半导体二极管的励磁特性促进了电子专门在其中一个方向上流动;结果，它充当交流电的整流器。半导体二极管中的不可或缺的操作是了解所有半导体二极管的基础。

可以观察到二极管作为直接双极半导体器件。二极管的特性看起来是二极管当施加到它的电压时产生的电流图。通过其电流和电压曲线可以绝对区分完美的二极管。

它允许电流仅在向前方向上流动，并有效地阻挡反向方向上的电流。至关重要的是，识别该半导体是完全是单晶材料，由两种单独的半导体块相反。

一个块掺杂有三价杂质原子，以产生作为具有多数电荷载流子的孔的受体，并且相邻块被掺杂五价杂质原子，以产生充当供体的N区，其作为多个电荷载体。

边界分割n和p区域被称为形而上学结。掺杂的浓度相同，每个块都相同，并且在交界处掺杂突然改性。当两个块彼此更靠近时，电子和孔朝向较高浓度区域的较低浓度的区域漫射。

在扩散过程中，来自N区域的电子朝向P区扩散，而来自P区域的孔朝向n区域漫射。一旦孔进入N区域，它们将与供体原子重新组合。同时，供体原子承认额外的孔并变得带电的固定供体原子。

将从N区扩散到P区域的电子与P区域中的受体原子重组。同时，受体原子承认额外的电子并变得带负电的固定受体原子。

结果在N侧的结处产生大量正电荷离子，在P侧的结处产生大量负电荷离子。

N和P区域内的净阳性和带负电离子在靠近形而上结的空间中诱导电场。将这两个区域合并在电场很小的任何地方，无论自由载体密度等同于净掺杂密度，都可以命名为空间电荷区域。

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。

我们假定冶金连接点周围的耗尽区有明确的边缘。它共同假设了耗竭区和自由空间电荷区之间的转变是突变的。

耗尽区含有在N侧的预设正离子，并在p侧预设负离子。耗尽层的宽度与每个区域中存在的掺杂剂的浓度成反比。

在耗竭区域内的电场产生一个相反的力，反对电子和空穴的扩散，这是由于在耗竭区域内的带电离子的影响。这个相反的力常被称为势垒电压。硅的典型势垒值为0.72V，锗的典型势垒值为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，屏障电位为N侧的电子提供低势能而不是P侧。能带弯曲在自由空间电荷区域中，因为传导和价带位置相对于费米能量水平在P和N区域之间发生变化。

在这种平衡状态下不发生电流传导，而扩散电流和漂移电流抵消了电子和空穴的作用。内置的势垒保持了N区多数载流子与P区少数载流子以及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在P区和N区固有费米能级之间的区别。

PN结二极管是一种二极管，可用作整流器，逻辑栅极，电压稳定器，开关装置，电压相关电容器和光电子，作为光电二极管，发光二极管（LED），激光二极管，光电检测器或太阳能电池在电子产品中。

PN结二极管的工作

如果外部电位施加到PN结的端子，则它将改变P和N区域之间的电位。这种电位差可以改变多数载波的流动，使得PN结可以用作电子和孔的扩散的机会。

如果施加的电压降低了耗尽层的宽度，则假定二极管处于正向偏置，如果施加的电压增加了耗尽层的宽度，则假定二极管处于反向偏置。如果耗尽层的宽度没有改变，那么它处于零偏置状态。

• 正向偏压:外部电压降低了内置的势垒。
• 反向偏见：外部电压增加内置势垒。
• 零偏见：没有外部电压。

PN结二极管时，没有外部电压施加

在零偏置或热平衡状态下，结势为p侧孔提供了比n侧孔更高的势能。如果结型二极管的两端短路，很少多数载流子(空穴)在P侧具有足够的能量越过势垒穿过耗尽区。

因此，在孔的帮助下，电流开始在二极管中流动，并且被称为前进电流。以类似的方式，沿着相反的剥离区域的n侧移动的孔，并且以这种方式产生的电流被称为反向电流。

势垒可以阻止电子和空穴穿过结的迁移，并允许少数载流子穿过PN结。因此，当结两边大多数载流子的浓度相等，少数载流子的运动方向相反时，就建立了平衡状态。

一个净零电流在电路中流动，因此这个结就称为处于动态平衡状态。通过提高半导体的温度，少数载流子不断产生，从而漏电流开始上升。一般来说，由于没有外部电源连接到PN结上，所以不会发生电流的传导。

向前偏置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区域中的大多数电荷载体朝向PN结吸引，并且耗尽层的宽度随着多数电荷载体的扩散而降低。外部偏置导致偏离平衡状态和P和N区中的费米水平的未对准，以及在耗尽层中。

因此，在与合并领域的方向上诱导电场。耗尽层中两种不同的费米水平的存在表示准平衡状态。存储在二极管中的电荷量Q与在二极管中流动的电流I成比例。

当正向偏压的增加大于内置电位时，在一个特定的值，耗尽区变得非常薄，以便大量的多数载流子可以穿过PN结并传导电流。流向内置电势的电流称为零电流或膝部电流。

前向偏置二极管特性

随着应用的外向偏置的升高，耗尽层的宽度变薄，在前向I-V特性曲线的膝关点之后，PN结二极管中的前电电流开始突然增加。

首先，由于接触电位和相关电场的存在，存在少量称为反向饱和电流的电流。当电子和空穴自由地穿过结，并导致扩散电流以相反的方向流动到反向饱和电流。

施加向前偏压的净结果是将潜在屏障的高度减少到EV的数量。PN结二极管中的多数载流电流通过EV / KT的指数因子增加。结果，电流总量变为i = i_{S *}exp（ev / kt），我在哪里_S.是恒定的。

分别进入N和P区域的过量的多数电荷载孔和电子作为少数载波并与N和P区域中的局部多数载体重新组合。因此，这种浓度随着距PN结的距离而降低，并且该过程被命名为少数载体注射。

PN结二极管的前向特性是非线性的，即，不是直线。这种类型的前向特性表明，在PN结的操作期间阻力在PN结的操作期间不恒定。PN结二极管的前向特性的斜率将变得非常陡峭。

这表明电阻在结二极管的前向偏压方面非常低。前电流的值与外部电源成正比，与结二极管的内阻成反比。

向PN结二极管施加向前偏压导致结二极管的低阻抗路径，允许通过称为无限电流的大量电流进行。这种大量电流开始在前向特性的膝盖点上方流动，应用少量外部电位。

通过耗尽层的作用，连接界或两个N和P区域的电位差保持恒定。要进行的最大电流量保持由负载电阻的限制，因为当二极管传导比二极管的通常规格比通常的规格更电流时，过电流导致热量耗散并且也导致装置的严重损坏。

反向偏置PN结二极管

当源的正极端子连接到N侧并且负端子连接到P侧时，据说连接二极管以反向偏置条件连接。在这种类型的连接中，多个电荷载体通过连接到PN结的各自的电池端子被吸引远离耗尽层。

N侧的费米能级低于P侧的费米能级。正极吸引N侧结的电子，负极吸引P侧结的空穴。结果使势垒宽度增大，阻碍了N侧和P侧大多数载流子的流动。

自由空间电荷层的宽度增加，从而在PN结处的电场增加，并且PN结二极管用作电阻器。但是作为电阻器的二极管的时间非常低。在PN交界处将没有多数载体的重组;因此，没有电流传导。

在PN结二极管中流动的电流是漏电流的小漏电流，由于在耗尽层或少数载体上产生的少数载波，在跨越PN结划过。最后，结果是耗尽层宽度的生长呈现作为绝缘体的高阻抗路径。

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量增加。然而，由于少数竞争载体引起的漏电流在PN结二极管中流动，可以在微安培中测量。

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。

随着反向偏置的增加，由于电路中的过热和在PN结二极管中流动，PN结二极管变得短路。

反向偏压二极管特性

PN结二极管的V-I特性

在结二极管的电流 - 电压特性中，如果施加到二极管的输入电压低于阈值电压（VR），则从第一象限中从第一象限处于正向偏置的电流非常低。阈值电压另外称为切口电压。

一旦向前偏置输入电压超过了切割电压（对于锗二极管的0.3V，对于硅二极管0.6-0.7V），电流增加的增加，因此二极管用作短路。

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二极管理想和真实特征

为了理想的特性，PN结二极管中的总电流在整个结二极管中是恒定的。各个电子和孔电流是连续的功能并且在整个结二极管中是恒定的。

PN结二极管的真实特性随着改变结二极管的性能的连接而变化。结二极管用作前向偏置的短路，并充当反向偏置的开路。

概括

• 半导体含有导体和绝缘体中间的性质。
• 用于半导体的常用材料是硅。
• 半导体包含电子和孔作为电荷载体。
• 半导体中的电荷载波可以在整个设备中自由移动，因此它们被称为移动电荷载波。
• 孔是带正电的颗粒，电子是带负电荷的颗粒。
• 电荷载流子负责进行电流。
• 半导体是两种类型的内在和外部半导体。
• 本征半导体是最纯的半导体，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。
• 非本征半导体分为两种类型。它们是n型和p型。
• N型杂质被称为捐赠者，因为它们包含作为多数粗纱载体的电子。
• p型杂质被称为受体，因为它们含有作为主要载流子的空穴。
• 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。
• 耗尽区的宽度改变了外部施加电位。
• 当没有外部电位对PN结应用时，条件称为零偏置。硅二极管的结电位为0.6V - 0.7V，锗二极管为0.3V。
• 当连接点偏向向前方向时，多数载体朝向交叉点被吸引并在交界处补充。在这种情况下，耗尽区域的宽度降低并且随着外部电位二极管的增加发挥为短路，其允许最大电流量流过它。
• 当结二极管反向偏置时，大部分载流子被各自的终端吸引，远离PN结，从而避免了结处电子和空穴的扩散。由于结端的少数载流子，会产生少量的漏电流。这种小电流称为漂移电流。当反向偏置电位进一步升高时，二极管就起到开路的作用，从而阻止电流通过二极管。

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