當(dāng)p型半導(dǎo)體熔合到n型半導(dǎo)體時(shí)，形成PN結(jié)二極管，在二極管結(jié)上產(chǎn)生勢(shì)壘電壓

前一個(gè)教程中描述的效果這是在沒(méi)有任何外部電壓施加到實(shí)際PN結(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)致結(jié)處于平衡狀態(tài)。

但是，如果我們要在N型和N端的兩端進(jìn)行電氣連接。 P型材料然后將它們連接到電池源，現(xiàn)在存在額外的能量來(lái)克服勢(shì)壘。

添加這種額外能源的效果導(dǎo)致自由電子能夠穿過(guò)耗盡區(qū)從一側(cè)到另一側(cè)。關(guān)于勢(shì)壘寬度的PN結(jié)的行為產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電的雙端子器件，更好地稱(chēng)為PN結(jié)二極管。

A PN結(jié)二極管是最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件之一，它具有僅在一個(gè)方向上通過(guò)電流的特性。然而，與電阻器不同，二極管相對(duì)于施加的電壓不表現(xiàn)為線(xiàn)性，因?yàn)槎O管具有指數(shù)電流 - 電壓（IV）關(guān)系，因此我們不能通過(guò)簡(jiǎn)單地使用諸如歐姆定律的等式來(lái)描述其操作。 / p>

如果在PN結(jié)的兩端之間施加合適的正電壓（正向偏壓），它可以提供自由電子和空穴，它們需要額外的能量穿過(guò)結(jié)，作為耗盡層的寬度通過(guò)施加負(fù)電壓（反向偏壓）導(dǎo)致自由電荷從結(jié)被拉開(kāi)導(dǎo)致耗盡層寬度增加，因此PN結(jié)周?chē)碾妷航档汀?/p>

這具有增加或減小結(jié)自身的有效電阻的效果，允許或阻止電流流過(guò)二極管。

然后耗盡層隨著反向電壓的施加而增寬并且隨著增加正向電壓的應(yīng)用。這是由于PN結(jié)兩側(cè)的電特性差異導(dǎo)致發(fā)生物理變化。其中一個(gè)結(jié)果產(chǎn)生了PN結(jié)二極管靜態(tài)I-V（電流 - 電壓）特性中的整流。當(dāng)偏置電壓的極性如下所示改變時(shí)，通過(guò)非對(duì)稱(chēng)電流顯示整流。

結(jié)二極管符號(hào)和靜態(tài)IV特性

但在我們將PN結(jié)用作實(shí)際器件或整流器件之前，我們首先需要偏置結(jié)，即連接電壓電位穿過(guò)它。在上面的電壓軸上，“反向偏壓”是指增加勢(shì)壘的外部電壓電位。據(jù)說(shuō)降低勢(shì)壘的外部電壓在“正向偏置”方向上起作用。

標(biāo)準(zhǔn)結(jié)型二極管有兩個(gè)工作區(qū)和三個(gè)可能的“偏置”條件這些是：

1。零偏置 - PN結(jié)二極管沒(méi)有施加外部電壓。

2。反向偏壓 - 電壓電位連接到負(fù)極，（ - ）連接到P型材料，正極，（+ ve）連接到二極管上的N型材料，其效果增加PN結(jié)二極管的寬度。

3。正向偏壓 - 電壓電位正向，（+ ve）連接到P型材料，負(fù)極（-ve）連接到二極管上的N型材料，具有降低<的作用/ b> PN結(jié)二極管寬度。

零偏壓結(jié)二極管

當(dāng)二極管連接在零偏壓狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有外部勢(shì)能施加到PN結(jié)。然而，如果二極管端子短接在一起，P型材料中的幾個(gè)孔（多數(shù)載流子）具有足以克服勢(shì)壘的能量將穿過(guò)結(jié)抵抗該勢(shì)壘電勢(shì)。這被稱(chēng)為“正向電流”，并被引用為 I F

同樣地，在N型材料（少數(shù)載流子）中產(chǎn)生的空穴發(fā)現(xiàn)這種情況是有利的并且在相反方向上穿過(guò)結(jié)。這被稱(chēng)為“反向電流”，并被引用為 I R 。這種電子和空穴在PN結(jié)上來(lái)回傳遞稱(chēng)為擴(kuò)散，如下所示。

零偏壓PN結(jié)二極管

現(xiàn)在存在的潛在障礙阻礙了更多多數(shù)載流子在整個(gè)交界處的擴(kuò)散。然而，勢(shì)壘有助于少數(shù)載流子（P區(qū)中的自由電子很少，N區(qū)中的空穴很少）在結(jié)點(diǎn)上漂移。

然后將建立“均衡”或平衡。多數(shù)載流子相等并且都在相反的方向上移動(dòng)，因此最終結(jié)果是在電路中流動(dòng)的零電流。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，結(jié)被認(rèn)為處于“動(dòng)態(tài)平衡”狀態(tài)。

少數(shù)載流子由于熱能不斷產(chǎn)生，所以這種平衡狀態(tài)可以被打破通過(guò)提高PN結(jié)的溫度導(dǎo)致少數(shù)載流子的產(chǎn)生增加，從而導(dǎo)致漏電流增加，但由于沒(méi)有電路連接到PN結(jié)，電流不能流動(dòng)。

反向偏置PN結(jié)二極管

當(dāng)二極管連接在反向偏置狀態(tài)時(shí)，正電壓施加到N型材料，負(fù)電壓施加到P - +型材料。

施加在N型材料上的正電壓吸引電子朝向正極并遠(yuǎn)離結(jié)，而P型端的孔也被吸引遠(yuǎn)離結(jié)點(diǎn)。負(fù)電極。

最終結(jié)果是耗盡層由于缺乏o而變寬f電子和空穴并呈現(xiàn)高阻抗路徑，幾乎是絕緣體。結(jié)果是產(chǎn)生了高勢(shì)壘，從而阻止電流流過(guò)半導(dǎo)體材料。

由于反向偏壓引起的耗盡層增加

此條件表示PN結(jié)的高電阻值，實(shí)際上零電流流過(guò)結(jié)二極管，偏置電壓增加。然而，一個(gè)非常小的漏電流確實(shí)流過(guò)結(jié)，可以用微安表來(lái)測(cè)量（μA）。

最后一點(diǎn)，如果施加到二極管的反向偏置電壓 Vr 增加到足夠高的值，則會(huì)導(dǎo)致二極管的PN結(jié)過(guò)熱并由于結(jié)點(diǎn)周?chē)难┍佬?yīng)而失效。這可能導(dǎo)致二極管短路并導(dǎo)致最大電路電流流動(dòng)，這在下面的反向靜態(tài)特性曲線(xiàn)中顯示為向下傾斜。

結(jié)型二極管的反向特性曲線(xiàn)

有時(shí)這種雪崩效應(yīng)在穩(wěn)壓電路中具有實(shí)際應(yīng)用，其中與二極管一起使用串聯(lián)限制電阻將該反向擊穿電流限制在預(yù)設(shè)的最大值，從而在穩(wěn)壓電路上產(chǎn)生固定電壓輸出。二極管。這些類(lèi)型的二極管通常稱(chēng)為齊納二極管，將在后面的教程中討論。

正向偏置PN結(jié)二極管

當(dāng)二極管連接在正向偏置<在條件下，向N型材料施加負(fù)電壓，并且向P型材料施加正電壓。如果該外部電壓變得大于勢(shì)壘的值，則約。硅為0.7伏，鍺為0.3伏，電位阻擋將被克服，電流將開(kāi)始流動(dòng)。

這是因?yàn)樨?fù)電壓推動(dòng)或排斥電子朝向結(jié)點(diǎn)，使它們能夠交叉通過(guò)正電壓在相反方向上朝向結(jié)點(diǎn)推動(dòng)的孔上方并與之結(jié)合。這導(dǎo)致零電流流向該電壓點(diǎn)的特性曲線(xiàn)，在靜態(tài)曲線(xiàn)上稱(chēng)為“拐點(diǎn)”，然后流過(guò)二極管的高電流，外部電壓幾乎沒(méi)有增加，如下所示。

結(jié)型二極管的正向特性曲線(xiàn)

在結(jié)型二極管上應(yīng)用正向偏置電壓在耗盡層中變得非常薄且窄，這表示通過(guò)結(jié)的低阻抗路徑，從而允許高電流流動(dòng)。電流突然增加的點(diǎn)在上面的靜態(tài)IV特性曲線(xiàn)上表示為“拐點(diǎn)”。

由于正向偏差導(dǎo)致的耗盡層減少

此條件表示通過(guò)PN結(jié)的低電阻路徑，允許非常大的電流流過(guò)二極管，偏置電壓只有很小的增加。耗盡層的作用使得結(jié)或二極管上的實(shí)際電位差保持恒定，對(duì)于鍺約為0.3v，對(duì)于硅結(jié)二極管約為0.7v。

由于二極管可以在該拐點(diǎn)之上傳導(dǎo)“無(wú)限”電流，因?yàn)樗鼘?shí)際上變成短路，因此電阻器與二極管串聯(lián)使用以限制其電流。超過(guò)其最大正向電流規(guī)格會(huì)導(dǎo)致器件以熱量的形式耗散更多的功率，從而導(dǎo)致器件快速失效。

結(jié)型二極管概述

結(jié)型二極管的PN結(jié)區(qū)具有以下重要特性：

半導(dǎo)體包含兩種類(lèi)型的移動(dòng)電荷載體， “孔”和“電子”。

當(dāng)電子帶負(fù)電時(shí)，空穴帶正電。

半導(dǎo)體可摻雜有供體諸如銻（N型摻雜）之類(lèi)的雜質(zhì)，因此它包含主要是電子的移動(dòng)電荷。

半導(dǎo)體可能摻雜有受體雜質(zhì)，如硼（P型摻雜）因此，它包含主要是空穴的移動(dòng)電荷。

結(jié)區(qū)本身沒(méi)有電荷載流子，被稱(chēng)為耗盡區(qū)。

結(jié)（耗盡）區(qū)域的物理厚度隨施加的電壓而變化。

當(dāng)二極管零偏壓時(shí)無(wú)外部施加能量源并在耗盡層上形成自然的勢(shì)壘，對(duì)于硅二極管約為0.5至0.7v，對(duì)于鍺二極管約為0.3伏。

當(dāng)結(jié)二極管正向偏置時(shí)，耗盡區(qū)的厚度減小，二極管就像一個(gè)短路，允許全電流流過(guò)。

當(dāng)結(jié)二極管反向偏置時(shí)，耗盡區(qū)的厚度增加，二極管的作用類(lèi)似于阻斷任何電流的開(kāi)路（僅有非常小的漏電流）。

我們上面還看到，二極管是兩端非線(xiàn)性器件，其IV特性與極性相關(guān)，具體取決于所施加電壓的極性， V D 二極管正向偏置， V D > 0 或反向偏置， V d <0 。無(wú)論哪種方式，我們都可以為理想二極管和實(shí)際硅二極管建模這些電流 - 電壓特性，如圖所示：

結(jié)型二極管理想和真實(shí)特性

在下一個(gè)關(guān)于二極管的教程中，我們將看一下小信號(hào)二極管，有時(shí)稱(chēng)為開(kāi)關(guān)二極管，用于一般電子電路。顧名思義，信號(hào)二極管專(zhuān)為低壓或高頻信號(hào)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如無(wú)線(xiàn)電或數(shù)字開(kāi)關(guān)電路。

信號(hào)二極管（例如1N4148）僅傳遞非常小的電流，而不是通常使用硅二極管的高電流電源整流二極管。同樣在下一個(gè)教程中，我們將檢查信號(hào)二極管的靜態(tài)電流 - 電壓特性曲線(xiàn)和參數(shù)。