PN連接二極管的設(shè)計要點詳解
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)域存儲了電荷。上一個教程中描述的效果是實現(xiàn)的，而沒有將任何外部電壓應(yīng)用于實際的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)域存儲了電荷。上一個教程中描述的效果是實現(xiàn)的，而沒有將任何外部電壓應(yīng)用于實際的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)域存儲了電荷。上一個教程中描述的效果是實現(xiàn)的，而沒有將任何外部電壓應(yīng)用于實際的PN連接，從而導(dǎo)致連接處處于平衡狀態(tài)。
但是，如果我們要在N型和P型材料的末端進行電氣連接，然后將它們連接到電池源，則現(xiàn)在存在一個額外的能源來克服潛在的屏障。
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)越過耗竭區(qū)域。 PN連接在潛在屏障的寬度方面產(chǎn)生的不對稱導(dǎo)電兩個末端裝置，即PN連接二極管。
PN連接二極管是周圍簡單的半導(dǎo)體設(shè)備之一，并且具有僅在一個方向上通過自身的電特征。但是，與電阻不同，二極管相對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，因此我們無法通過簡單地使用諸如ohm定律之類的方程來描述其操作。
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，它可以為越過連接所需的額外能量提供自由電子和孔。。
通過施加負電壓（反向偏置）會導(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二極管通過二極管的流動。
然后，耗盡層隨著反向電壓的應(yīng)用增加而擴大，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，當偏置電壓的極性改變改變時，通過不對稱電流流動顯示了整流。
連接二極管符號和靜態(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，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。降低潛在障礙的外部電壓被認為朝著“正向偏置”方向起作用。
標準連接二極管有兩個操作區(qū)域和三個可能的“偏見”條件，它們是：
1。零偏見- 沒有外部電壓電勢應(yīng)用于PN連接二極管。
2。反向偏置- 電壓電勢與P型材料和陽性（+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- 電壓電勢與p型材料和負（-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
當二極管在零偏置條件下連接時，沒有將外部勢能應(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型材料中的幾個孔（多數(shù)載體）將在交界處越過這種屏障潛力。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連接中來回的這種傳遞稱為擴散。
零偏置PN連接二極管
PN連接零偏見
現(xiàn)在，現(xiàn)在存在的潛在障礙會阻止整個交界處的任何多數(shù)載體的擴散。但是，潛在的障礙有助于少數(shù)族裔載體（p區(qū)域中的幾個自由電子，而在N區(qū)域中很少）在交界處漂移。
然后，當大多數(shù)載體相等并且均以相反的方向移動時，將建立“平衡”或平衡，以使凈結(jié)果為零電流在電路中流動。當這種情況發(fā)生時，據(jù)說連接處處于“動態(tài)平衡”狀態(tài)。
由于熱能而不斷產(chǎn)生少數(shù)載體由于沒有電路連接到PN連接。
反向偏見的PN連接二極管
當二極管在反向偏置條件下連接時，將正電壓應(yīng)用于N型材料，并將負電壓應(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，并遠離交界處，而P型端的孔也從連接點吸引到負電極。
終結(jié)果是，由于缺乏電子和孔，耗盡層的增長較寬，并且呈現(xiàn)出高阻抗路徑，幾乎是絕緣體，并且在整個連接處產(chǎn)生了高電位屏障，從而阻止電流流過半導(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，并且實際上零電流流過連接二極管，偏置電壓增加。但是，一個非常小的反向泄漏電流確實流過該連接，通?？梢栽谖⑿椭匦停?mu;A）中測量。
一個點，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)，會導(dǎo)致二極管的PN連接過熱和失敗。這可能會導(dǎo)致二極管縮短并會導(dǎo)致電路電流的流動，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，這種雪崩效應(yīng)在電壓穩(wěn)定電路中具有實際應(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，在后來的教程中進行了討論。
正向偏見二極管二極管
當二極管在正向偏置條件下連接時，將負電壓應(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，潛在的屏障對立將被克服，并且電流將開始流動。
這是因為負電壓將電子推向交界處，從而使它們能夠越過，并與正向電壓向相反的方向推向相反的方向。這會導(dǎo)致零電流的特性曲線流到該電壓點，在靜態(tài)曲線上稱為“膝蓋”，然后通過二極管流動的高電流流，外部電壓幾乎沒有增加，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，這代表了通過交界處的低阻抗路徑，從而使高電流流動。在上面的靜態(tài)IV特征曲線上表示電流突然增加的點是“膝蓋”點。
由于前進偏置而導(dǎo)致的耗竭層減少
向前偏見
該條件表示穿過PN連接的低電阻路徑，從而使非常大的電流流過二極管，而偏置電壓只有很小的增加。通過大約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“無限”電流，因此與二極管一起使用電阻來限制其電流流量。超過其向前電流規(guī)范會導(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。
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電荷載體：“孔”和“電子”。
當電子負電荷時，孔會積極充電。
半導(dǎo)體可能會摻有供體雜質(zhì)（例如銻（N型摻雜）），因此它包含主要是電子的移動電荷。
半導(dǎo)體可能會摻有受體雜質(zhì)，例如硼（p型摻雜），因此它包含主要是孔的移動費用。
交界區(qū)本身沒有電荷載體，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。
當二極管為零時，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。
當連接二極管向前偏向時，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。
當連接二極管反向時，耗盡區(qū)域的厚度會增加，二極管的作用就像開路阻塞任何電流流動（只有很小的泄漏電流將流動）。
我們還在上面看到，二極管是兩個終端非線性裝置，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。無論哪種方式，我們都可以為理想二極管和真實硅二極管建模這些電流 - 電壓特性，如下所示：
理想和真實特征
在下一個關(guān)于二極管的教程中，我們將查看有時稱為開關(guān)二極管的小信號二極管，該二極管在一般電子電路中使用。顧名思義，信號二極管設(shè)計用于低壓或高頻信號應(yīng)用，例如在無線電或數(shù)字開關(guān)電路中。
信號二極管（例如1N4148）僅通過非常小的電流，而不是通常使用硅二極管的高電流電流二極管。同樣在下一個教程中，我們將檢查信號二極管靜態(tài)電流電壓特性曲線和參數(shù)。
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