PN連接二極管的設(shè)計(jì)要點(diǎn)詳解
PN連接二極管由p區(qū)域和N區(qū)組成，該區(qū)域由耗盡區(qū)域分離，該區(qū)域存儲(chǔ)了電荷。上一個(gè)教程中描述的效果是實(shí)現(xiàn)的，而沒(méi)有將任何外部電壓應(yīng)用于實(shí)際的PN連接，從而導(dǎo)致連接處處于平衡狀態(tài)。
PN連接二極管由p區(qū)域和N區(qū)組成，該區(qū)域由耗盡區(qū)域分離，該區(qū)域存儲(chǔ)了電荷。上一個(gè)教程中描述的效果是實(shí)現(xiàn)的，而沒(méi)有將任何外部電壓應(yīng)用于實(shí)際的PN連接，從而導(dǎo)致連接處處于平衡狀態(tài)。
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但是，如果我們要在N型和P型材料的末端進(jìn)行電氣連接，然后將它們連接到電池源，則現(xiàn)在存在一個(gè)額外的能源來(lái)克服潛在的屏障。
添加這種額外能源的效果導(dǎo)致自由電子能夠從一側(cè)到另一側(cè)越過(guò)耗竭區(qū)域。 PN連接在潛在屏障的寬度方面產(chǎn)生的不對(duì)稱導(dǎo)電兩個(gè)末端裝置，即PN連接二極管。
PN連接二極管是周圍簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體設(shè)備之一，并且具有僅在一個(gè)方向上通過(guò)自身的電特征。但是，與電阻不同，二極管相對(duì)于施加的電壓并不線性地行為。取而代之的是，它具有指數(shù)的電流（IV）關(guān)系，因此我們無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單地使用諸如ohm定律之類的方程來(lái)描述其操作。
如果在PN連接的兩端之間應(yīng)用合適的正電壓（正向偏置），則隨著PN連接圍繞耗竭層的寬度降低，它可以為越過(guò)連接所需的額外能量提供自由電子和孔。。
通過(guò)施加負(fù)電壓（反向偏置）會(huì)導(dǎo)致自由電荷從連接處撤離，從而增加了耗盡層的寬度。這具有增加或降低連接本身的有效電阻的效果，從而允許或阻斷通過(guò)二極管通過(guò)二極管的流動(dòng)。
然后，耗盡層隨著反向電壓的應(yīng)用增加而擴(kuò)大，并隨著向前電壓的應(yīng)用增加而變窄。這是由于PN連接兩側(cè)的電氣性能的差異導(dǎo)致物理變化。結(jié)果之一會(huì)產(chǎn)生糾正，如PN連接二極管靜態(tài)IV（電流 - 電壓）特性所示。如下所示，當(dāng)偏置電壓的極性改變改變時(shí)，通過(guò)不對(duì)稱電流流動(dòng)顯示了整流。
連接二極管符號(hào)和靜態(tài)IV特征
PN連接二極管特征
但是，在我們可以將PN交界處用作實(shí)用設(shè)備或作為整流設(shè)備之前，我們首先需要偏向連接點(diǎn)，即連接其跨它的電壓。在上面的電壓軸上，“反向偏置”是指增加潛在屏障的外部電壓電勢(shì)。降低潛在障礙的外部電壓被認(rèn)為朝著“正向偏置”方向起作用。
標(biāo)準(zhǔn)連接二極管有兩個(gè)操作區(qū)域和三個(gè)可能的“偏見(jiàn)”條件，它們是：
1。零偏見(jiàn)- 沒(méi)有外部電壓電勢(shì)應(yīng)用于PN連接二極管。
2。反向偏置- 電壓電勢(shì)與P型材料和陽(yáng)性（+VE）連接到二極管上的N型材料，該材料具有增加Pn連接二極管的寬度的作用。
3。向前偏置- 電壓電勢(shì)與p型材料和負(fù)（-ve）連接到二極管上的N型材料上，該材料具有降低PN連接二極管寬度的作用。
零有偏連接二極管
當(dāng)二極管在零偏置條件下連接時(shí)，沒(méi)有將外部勢(shì)能應(yīng)用于PN連接。但是，如果將二極管末端縮短在一起，則具有足夠能量以克服潛在屏障的P型材料中的幾個(gè)孔（多數(shù)載體）將在交界處越過(guò)這種屏障潛力。這被稱為“前向電流”，被稱為我同樣，在N型材料（少數(shù)載體）中產(chǎn)生的孔，發(fā)現(xiàn)這種情況有利，并沿相反方向跨連接。這被稱為“反向電流”，被稱為i r。如下所示，電子和孔在PN連接中來(lái)回的這種傳遞稱為擴(kuò)散。
零偏置PN連接二極管
PN連接零偏見(jiàn)
現(xiàn)在，現(xiàn)在存在的潛在障礙會(huì)阻止整個(gè)交界處的任何多數(shù)載體的擴(kuò)散。但是，潛在的障礙有助于少數(shù)族裔載體（p區(qū)域中的幾個(gè)自由電子，而在N區(qū)域中很少）在交界處漂移。
然后，當(dāng)大多數(shù)載體相等并且均以相反的方向移動(dòng)時(shí)，將建立“平衡”或平衡，以使凈結(jié)果為零電流在電路中流動(dòng)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，據(jù)說(shuō)連接處處于“動(dòng)態(tài)平衡”狀態(tài)。
由于熱能而不斷產(chǎn)生少數(shù)載體由于沒(méi)有電路連接到PN連接。
反向偏見(jiàn)的PN連接二極管
當(dāng)二極管在反向偏置條件下連接時(shí)，將正電壓應(yīng)用于N型材料，并將負(fù)電壓應(yīng)用于P型材料。
應(yīng)用于N型材料的正電壓將電子吸引到正極電極，并遠(yuǎn)離交界處，而P型端的孔也從連接點(diǎn)吸引到負(fù)電極。
終結(jié)果是，由于缺乏電子和孔，耗盡層的增長(zhǎng)較寬，并且呈現(xiàn)出高阻抗路徑，幾乎是絕緣體，并且在整個(gè)連接處產(chǎn)生了高電位屏障，從而阻止電流流過(guò)半導(dǎo)體材料。
由于反向偏置而增加耗盡層
PN連接反向偏置
該條件代表了PN結(jié)的高電阻值，并且實(shí)際上零電流流過(guò)連接二極管，偏置電壓增加。但是，一個(gè)非常小的反向泄漏電流確實(shí)流過(guò)該連接，通常可以在微型重型（μA）中測(cè)量。
一個(gè)點(diǎn)，如果將二極管應(yīng)用于二極管的反向偏置電壓VR增加到足夠高的值，則由于連接周圍的雪崩效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致二極管的PN連接過(guò)熱和失敗。這可能會(huì)導(dǎo)致二極管縮短并會(huì)導(dǎo)致電路電流的流動(dòng)，并且在下面的反向靜態(tài)特性曲線中顯示為向下斜率。
連接二極管的反向特性曲線
PN連接二極管反向特性
有時(shí)，這種雪崩效應(yīng)在電壓穩(wěn)定電路中具有實(shí)際應(yīng)用，在二極管中使用串聯(lián)限制電阻器將這種反向分解電流限制為預(yù)設(shè)值，從而在整個(gè)二極管上產(chǎn)生固定的電壓輸出。這些類型的二極管通常稱為齊納二極管，在后來(lái)的教程中進(jìn)行了討論。
正向偏見(jiàn)二極管二極管
當(dāng)二極管在正向偏置條件下連接時(shí)，將負(fù)電壓應(yīng)用于N型材料，并將正電壓應(yīng)用于P型材料。如果該外部電壓大于潛在屏障的值，則大約。硅的0.7伏和0.3伏的鍺，潛在的屏障對(duì)立將被克服，并且電流將開(kāi)始流動(dòng)。
這是因?yàn)樨?fù)電壓將電子推向交界處，從而使它們能夠越過(guò)，并與正向電壓向相反的方向推向相反的方向。這會(huì)導(dǎo)致零電流的特性曲線流到該電壓點(diǎn)，在靜態(tài)曲線上稱為“膝蓋”，然后通過(guò)二極管流動(dòng)的高電流流，外部電壓幾乎沒(méi)有增加，如下所示。
連接二極管的正向特征曲線
正向特征
向前偏置電壓在連接二極管上的應(yīng)用導(dǎo)致耗竭層變得非常薄且狹窄，這代表了通過(guò)交界處的低阻抗路徑，從而使高電流流動(dòng)。在上面的靜態(tài)IV特征曲線上表示電流突然增加的點(diǎn)是“膝蓋”點(diǎn)。
由于前進(jìn)偏置而導(dǎo)致的耗竭層減少
向前偏見(jiàn)
該條件表示穿過(guò)PN連接的低電阻路徑，從而使非常大的電流流過(guò)二極管，而偏置電壓只有很小的增加。通過(guò)大約0.3V的耗竭層的作用，晶鍺的耗竭層的作用保持恒定，對(duì)于硅連接二極管的作用約為0.7V。
由于二極管可以有效地變成短路，因此可以在此膝蓋上方傳遞“無(wú)限”電流，因此與二極管一起使用電阻來(lái)限制其電流流量。超過(guò)其向前電流規(guī)范會(huì)導(dǎo)致該設(shè)備以熱量形式耗散更多的功率，而不是為了使設(shè)備的快速故障而設(shè)計(jì)。
教程摘要
連接二極管的PN連接區(qū)具有以下重要特征：
半導(dǎo)體包含兩種類型的移動(dòng)電荷載體：“孔”和“電子”。
當(dāng)電子負(fù)電荷時(shí)，孔會(huì)積極充電。
半導(dǎo)體可能會(huì)摻有供體雜質(zhì)（例如銻（N型摻雜）），因此它包含主要是電子的移動(dòng)電荷。
半導(dǎo)體可能會(huì)摻有受體雜質(zhì)，例如硼（p型摻雜），因此它包含主要是孔的移動(dòng)費(fèi)用。
交界區(qū)本身沒(méi)有電荷載體，被稱為耗竭區(qū)域。
連接（耗盡）區(qū)域的物理厚度隨施加的電壓而變化。
當(dāng)二極管為零時(shí)，偏置不應(yīng)用外部能源，并且在耗盡層上產(chǎn)生了自然電勢(shì)壘，硅二極管的耗盡層大約為0.5至0.7V，而在鍺二極管的伏特二極管則約為0.3。
當(dāng)連接二極管向前偏向時(shí)，耗盡區(qū)域的厚度減小，二極管的作用就像短路，使全電路電流流動(dòng)。
當(dāng)連接二極管反向時(shí)，耗盡區(qū)域的厚度會(huì)增加，二極管的作用就像開(kāi)路阻塞任何電流流動(dòng)（只有很小的泄漏電流將流動(dòng)）。
我們還在上面看到，二極管是兩個(gè)終端非線性裝置，其靜脈特征取決于極性，這取決于施加電壓的極性，v d二極管是向前偏置的，V d > 0或反向偏置， V d， V D <0。無(wú)論哪種方式，我們都可以為理想二極管和真實(shí)硅二極管建模這些電流 - 電壓特性，如下所示：
理想和真實(shí)特征
在下一個(gè)關(guān)于二極管的教程中，我們將查看有時(shí)稱為開(kāi)關(guān)二極管的小信號(hào)二極管，該二極管在一般電子電路中使用。顧名思義，信號(hào)二極管設(shè)計(jì)用于低壓或高頻信號(hào)應(yīng)用，例如在無(wú)線電或數(shù)字開(kāi)關(guān)電路中。
信號(hào)二極管（例如1N4148）僅通過(guò)非常小的電流，而不是通常使用硅二極管的高電流電流二極管。同樣在下一個(gè)教程中，我們將檢查信號(hào)二極管靜態(tài)電流電壓特性曲線和參數(shù)。
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