PN结二极管符号和静态特性

当p型半导体熔合到n型半导体时，形成PN结二极管，在二极管结上产生势垒电压

前一个教程中描述的效果这是在没有任何外部电压施加到实际PN结的情况下实现的，导致结处于平衡状态。

但是，如果我们要在N型和N端的两端进行电气连接。 P型材料然后将它们连接到电池源，现在存在额外的能量来克服势垒。

添加这种额外能源的效果导致自由电子能够穿过耗尽区从一侧到另一侧。关于势垒宽度的PN结的行为产生不对称导电的双端子器件，更好地称为PN结二极管。

A PN结二极管是最简单的半导体器件之一，它具有仅在一个方向上通过电流的特性。然而，与电阻器不同，二极管相对于施加的电压不表现为线性，因为二极管具有指数电流 - 电压（IV）关系，因此我们不能通过简单地使用诸如欧姆定律的等式来描述其操作。 / p>

如果在PN结的两端之间施加合适的正电压（正向偏压），它可以提供自由电子和空穴，它们需要额外的能量穿过结，作为耗尽层的宽度通过施加负电压（反向偏压）导致自由电荷从结被拉开导致耗尽层宽度增加，因此PN结周围的电压降低。

这具有增加或减小结自身的有效电阻的效果，允许或阻止电流流过二极管。

然后耗尽层随着反向电压的施加而增宽并且随着增加正向电压的应用。这是由于PN结两侧的电特性差异导致发生物理变化。其中一个结果产生了PN结二极管静态I-V（电流 - 电压）特性中的整流。当偏置电压的极性如下所示改变时，通过非对称电流显示整流。

结二极管符号和静态IV特性

但在我们将PN结用作实际器件或整流器件之前，我们首先需要偏置结，即连接电压电位穿过它。在上面的电压轴上，“反向偏压”是指增加势垒的外部电压电位。据说降低势垒的外部电压在“正向偏置”方向上起作用。

标准结型二极管有两个工作区和三个可能的“偏置”条件这些是：

1。零偏置 - PN结二极管没有施加外部电压。

2。反向偏压 - 电压电位连接到负极，（ - ）连接到P型材料，正极，（+ ve）连接到二极管上的N型材料，其效果增加PN结二极管的宽度。

3。正向偏压 - 电压电位正向，（+ ve）连接到P型材料，负极（-ve）连接到二极管上的N型材料，具有降低<的作用/ b> PN结二极管宽度。

零偏压结二极管

当二极管连接在零偏压状态时，没有外部势能施加到PN结。然而，如果二极管端子短接在一起，P型材料中的几个孔（多数载流子）具有足以克服势垒的能量将穿过结抵抗该势垒电势。这被称为“正向电流”，并被引用为 I F

同样地，在N型材料（少数载流子）中产生的空穴发现这种情况是有利的并且在相反方向上穿过结。这被称为“反向电流”，并被引用为 I R 。这种电子和空穴在PN结上来回传递称为扩散，如下所示。

零偏压PN结二极管

现在存在的潜在障碍阻碍了更多多数载流子在整个交界处的扩散。然而，势垒有助于少数载流子（P区中的自由电子很少，N区中的空穴很少）在结点上漂移。

然后将建立“均衡”或平衡。多数载流子相等并且都在相反的方向上移动，因此最终结果是在电路中流动的零电流。当发生这种情况时，结被认为处于“动态平衡”状态。

少数载流子由于热能不断产生，所以这种平衡状态可以被打破通过提高PN结的温度导致少数载流子的产生增加，从而导致漏电流增加，但由于没有电路连接到PN结，电流不能流动。

反向偏置PN结二极管

当二极管连接在反向偏置状态时，正电压施加到N型材料，负电压施加到P - +型材料。

施加在N型材料上的正电压吸引电子朝向正极并远离结，而P型端的孔也被吸引远离结点。负电极。

最终结果是耗尽层由于缺乏o而变宽f电子和空穴并呈现高阻抗路径，几乎是绝缘体。结果是产生了高势垒，从而阻止电流流过半导体材料。

由于反向偏压引起的耗尽层增加

此条件表示PN结的高电阻值，实际上零电流流过结二极管，偏置电压增加。然而，一个非常小的漏电流确实流过结，可以用微安表来测量（μA）。

最后一点，如果施加到二极管的反向偏置电压 Vr 增加到足够高的值，则会导致二极管的PN结过热并由于结点周围的雪崩效应而失效。这可能导致二极管短路并导致最大电路电流流动，这在下面的反向静态特性曲线中显示为向下倾斜。

结型二极管的反向特性曲线

有时这种雪崩效应在稳压电路中具有实际应用，其中与二极管一起使用串联限制电阻将该反向击穿电流限制在预设的最大值，从而在稳压电路上产生固定电压输出。二极管。这些类型的二极管通常称为齐纳二极管，将在后面的教程中讨论。

正向偏置PN结二极管

当二极管连接在正向偏置<在条件下，向N型材料施加负电压，并且向P型材料施加正电压。如果该外部电压变得大于势垒的值，则约。硅为0.7伏，锗为0.3伏，电位阻挡将被克服，电流将开始流动。

这是因为负电压推动或排斥电子朝向结点，使它们能够交叉通过正电压在相反方向上朝向结点推动的孔上方并与之结合。这导致零电流流向该电压点的特性曲线，在静态曲线上称为“拐点”，然后流过二极管的高电流，外部电压几乎没有增加，如下所示。

结型二极管的正向特性曲线

在结型二极管上应用正向偏置电压在耗尽层中变得非常薄且窄，这表示通过结的低阻抗路径，从而允许高电流流动。电流突然增加的点在上面的静态IV特性曲线上表示为“拐点”。

由于正向偏差导致的耗尽层减少

此条件表示通过PN结的低电阻路径，允许非常大的电流流过二极管，偏置电压只有很小的增加。耗尽层的作用使得结或二极管上的实际电位差保持恒定，对于锗约为0.3v，对于硅结二极管约为0.7v。

由于二极管可以在该拐点之上传导“无限”电流，因为它实际上变成短路，因此电阻器与二极管串联使用以限制其电流。超过其最大正向电流规格会导致器件以热量的形式耗散更多的功率，从而导致器件快速失效。

结型二极管概述

结型二极管的PN结区具有以下重要特性：

半导体包含两种类型的移动电荷载体， “孔”和“电子”。

当电子带负电时，空穴带正电。

半导体可掺杂有供体诸如锑（N型掺杂）之类的杂质，因此它包含主要是电子的移动电荷。

半导体可能掺杂有受体杂质，如硼（P型掺杂）因此，它包含主要是空穴的移动电荷。

结区本身没有电荷载流子，被称为耗尽区。

结（耗尽）区域的物理厚度随施加的电压而变化。

当二极管零偏压时无外部施加能量源并在耗尽层上形成自然的势垒，对于硅二极管约为0.5至0.7v，对于锗二极管约为0.3伏。

当结二极管正向偏置时，耗尽区的厚度减小，二极管就像一个短路，允许全电流流过。

当结二极管反向偏置时，耗尽区的厚度增加，二极管的作用类似于阻断任何电流的开路（仅有非常小的漏电流）。

我们上面还看到，二极管是两端非线性器件，其IV特性与极性相关，具体取决于所施加电压的极性， V D 二极管正向偏置， V D > 0 或反向偏置， V d <0 。无论哪种方式，我们都可以为理想二极管和实际硅二极管建模这些电流 - 电压特性，如图所示：

结型二极管理想和真实特性

在下一个关于二极管的教程中，我们将看一下小信号二极管，有时称为开关二极管，用于一般电子电路。顾名思义，信号二极管专为低压或高频信号应用而设计，如无线电或数字开关电路。

信号二极管（例如1N4148）仅传递非常小的电流，而不是通常使用硅二极管的高电流电源整流二极管。同样在下一个教程中，我们将检查信号二极管的静态电流 - 电压特性曲线和参数。