深入解析PN连接二极管的设计要点

【导读】PN连接二极管由p区域和N区组成，该区域由耗尽区域分离，该区域存储了电荷。上一个教程中描述的效果是实现的，而没有将任何外部电压应用于实际的PN连接，从而导致连接处处于平衡状态。

PN连接二极管由p区域和N区组成，该区域由耗尽区域分离，该区域存储了电荷。上一个教程中描述的效果是实现的，而没有将任何外部电压应用于实际的PN连接，从而导致连接处处于平衡状态。

但是，如果我们要在N型和P型材料的末端进行电气连接，然后将它们连接到电池源，则现在存在一个额外的能源来克服潜在的屏障。

添加这种额外能源的效果导致自由电子能够从一侧到另一侧越过耗竭区域。 PN连接在潜在屏障的宽度方面产生的不对称导电两个末端装置，即PN连接二极管。

PN连接二极管是周围简单的半导体设备之一，并且具有仅在一个方向上通过自身的电特征。但是，与电阻不同，二极管相对于施加的电压并不线性地行为。取而代之的是，它具有指数的电流（IV）关系，因此我们无法通过简单地使用诸如ohm定律之类的方程来描述其操作。

如果在PN连接的两端之间应用合适的正电压（正向偏置），则随着PN连接围绕耗竭层的宽度降低，它可以为越过连接所需的额外能量提供自由电子和孔。。

通过施加负电压（反向偏置）会导致自由电荷从连接处撤离，从而增加了耗尽层的宽度。这具有增加或降低连接本身的有效电阻的效果，从而允许或阻断通过二极管通过二极管的流动。

然后，耗尽层随着反向电压的应用增加而扩大，并随着向前电压的应用增加而变窄。这是由于PN连接两侧的电气性能的差异导致物理变化。结果之一会产生纠正，如PN连接二极管静态IV（电流 - 电压）特性所示。如下所示，当偏置电压的极性改变改变时，通过不对称电流流动显示了整流。

连接二极管符号和静态IV特征



PN连接二极管特征

但是，在我们可以将PN交界处用作实用设备或作为整流设备之前，我们首先需要偏向连接点，即连接其跨它的电压。在上面的电压轴上，“反向偏置”是指增加潜在屏障的外部电压电势。降低潜在障碍的外部电压被认为朝着“正向偏置”方向起作用。

标准连接二极管有两个操作区域和三个可能的“偏见”条件，它们是：

1。零偏见- 没有外部电压电势应用于PN连接二极管。

2。反向偏置- 电压电势与P型材料和阳性（+VE）连接到二极管上的N型材料，该材料具有增加Pn连接二极管的宽度的作用。

3。向前偏置- 电压电势与p型材料和负（-ve）连接到二极管上的N型材料上，该材料具有降低PN连接二极管宽度的作用。

零有偏连接二极管

当二极管在零偏置条件下连接时，没有将外部势能应用于PN连接。但是，如果将二极管末端缩短在一起，则具有足够能量以克服潜在屏障的P型材料中的几个孔（多数载体）将在交界处越过这种屏障潜力。这被称为“前向电流”，被称为我同样，在N型材料（少数载体）中产生的孔，发现这种情况有利，并沿相反方向跨连接。这被称为“反向电流”，被称为i r。如下所示，电子和孔在PN连接中来回的这种传递称为扩散。

零偏置PN连接二极管



PN连接零偏见

现在，现在存在的潜在障碍会阻止整个交界处的任何多数载体的扩散。但是，潜在的障碍有助于少数族裔载体（p区域中的几个自由电子，而在N区域中很少）在交界处漂移。

然后，当大多数载体相等并且均以相反的方向移动时，将建立“平衡”或平衡，以使净结果为零电流在电路中流动。当这种情况发生时，据说连接处处于“动态平衡”状态。

由于热能而不断产生少数载体由于没有电路连接到PN连接。

反向偏见的PN连接二极管

当二极管在反向偏置条件下连接时，将正电压应用于N型材料，并将负电压应用于P型材料。

应用于N型材料的正电压将电子吸引到正极电极，并远离交界处，而P型端的孔也从连接点吸引到负电极。

终结果是，由于缺乏电子和孔，耗尽层的增长较宽，并且呈现出高阻抗路径，几乎是绝缘体，并且在整个连接处产生了高电位屏障，从而阻止电流流过半导体材料。

由于反向偏置而增加耗尽层



PN连接反向偏置

该条件代表了PN结的高电阻值，并且实际上零电流流过连接二极管，偏置电压增加。但是，一个非常小的反向泄漏电流确实流过该连接，通常可以在微型重型（μA）中测量。

一个点，如果将二极管应用于二极管的反向偏置电压VR增加到足够高的值，则由于连接周围的雪崩效应，会导致二极管的PN连接过热和失败。这可能会导致二极管缩短并会导致电路电流的流动，并且在下面的反向静态特性曲线中显示为向下斜率。

连接二极管的反向特性曲线



PN连接二极管反向特性

有时，这种雪崩效应在电压稳定电路中具有实际应用，在二极管中使用串联限制电阻器将这种反向分解电流限制为预设值，从而在整个二极管上产生固定的电压输出。这些类型的二极管通常称为齐纳二极管，在后来的教程中进行了讨论。

正向偏见二极管二极管

当二极管在正向偏置条件下连接时，将负电压应用于N型材料，并将正电压应用于P型材料。如果该外部电压大于潜在屏障的值，则大约。硅的0.7伏和0.3伏的锗，潜在的屏障对立将被克服，并且电流将开始流动。

这是因为负电压将电子推向交界处，从而使它们能够越过，并与正向电压向相反的方向推向相反的方向。这会导致零电流的特性曲线流到该电压点，在静态曲线上称为“膝盖”，然后通过二极管流动的高电流流，外部电压几乎没有增加，如下所示。

连接二极管的正向特征曲线



正向特征

向前偏置电压在连接二极管上的应用导致耗竭层变得非常薄且狭窄，这代表了通过交界处的低阻抗路径，从而使高电流流动。在上面的静态IV特征曲线上表示电流突然增加的点是“膝盖”点。

由于前进偏置而导致的耗竭层减少



向前偏见

该条件表示穿过PN连接的低电阻路径，从而使非常大的电流流过二极管，而偏置电压只有很小的增加。通过大约0.3V的耗竭层的作用，晶锗的耗竭层的作用保持恒定，对于硅连接二极管的作用约为0.7V。

由于二极管可以有效地变成短路，因此可以在此膝盖上方传递“无限”电流，因此与二极管一起使用电阻来限制其电流流量。超过其向前电流规范会导致该设备以热量形式耗散更多的功率，而不是为了使设备的快速故障而设计。

教程摘要

连接二极管的PN连接区具有以下重要特征：

半导体包含两种类型的移动电荷载体：“孔”和“电子”。

当电子负电荷时，孔会积极充电。

半导体可能会掺有供体杂质（例如锑（N型掺杂）），因此它包含主要是电子的移动电荷。

半导体可能会掺有受体杂质，例如硼（p型掺杂），因此它包含主要是孔的移动费用。

交界区本身没有电荷载体，被称为耗竭区域。

连接（耗尽）区域的物理厚度随施加的电压而变化。

当二极管为零时，偏置不应用外部能源，并且在耗尽层上产生了自然电势垒，硅二极管的耗尽层大约为0.5至0.7V，而在锗二极管的伏特二极管则约为0.3。

当连接二极管向前偏向时，耗尽区域的厚度减小，二极管的作用就像短路，使全电路电流流动。

当连接二极管反向时，耗尽区域的厚度会增加，二极管的作用就像开路阻塞任何电流流动（只有很小的泄漏电流将流动）。

我们还在上面看到，二极管是两个终端非线性装置，其静脉特征取决于极性，这取决于施加电压的极性，v d二极管是向前偏置的，V d  > 0或反向偏置， V d， V D  <0。无论哪种方式，我们都可以为理想二极管和真实硅二极管建模这些电流 - 电压特性，如下所示：

理想和真实特征



在下一个关于二极管的教程中，我们将查看有时称为开关二极管的小信号二极管，该二极管在一般电子电路中使用。顾名思义，信号二极管设计用于低压或高频信号应用，例如在无线电或数字开关电路中。

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

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