pn结二极管

什么是二极管?

二极管是一种电子元件,它允许yb体育app网站电流只沿一个特定的方向流动。二极管是由硅和锗组成的。它们通过限制电压和将交流电压转换为直流电压来保护电路。二极管有许多类型,每个二极管都有自己的一套用途。

二极管的象征

二极管符号
图1。二极管符号及外观

二极管用与线相邻的三角形表示。它有两个端子:阳极,即正极,和阴极,即负极。进入三角形平边的一端是阳极,另一端是阴极。二极管符号中的箭头表示二极管工作时常规电流的方向。

在二极管中,电流只从正极流到负极。当阳极的正电压高于负极电压时,称为正向偏置。它很容易在低电压降下导电。或者,如果阴极电压高于阳极电压,则称为反向偏置。

二极管的正向和反向偏压

p型和n型材料

采用工艺掺杂制备了p型和n型半导体材料。这意味着杂质被引入硅结构中,通过离子键在材料的分子结构中造成不平衡。这就形成了称为p型和n型材料的内在半导体材料。

n型半导体材料
n型材料。图片来源:https://toshiba.semicon-storage.com

为了生产n型半导体材料,在硅半导体上掺杂微量的砷或磷。这两个元素在它们的外层轨道上都有5个电子。由于硅的外层轨道上只有4个电子,第五个电子没有电子对可以成键,因此可以自由运动。这使得电流可以通过硅半导体形成,从而形成n型材料。

p型半导体材料
p型材料。图片来源:https://toshiba.semicon-storage.com

对于p型,硅被镓或硼元素掺杂。这两个元素的外层轨道上都有三个电子。因此,当它们与硅结构混合时,就会在硅原子的价带中形成一个洞。这个移动空穴带正电荷,与带负电荷的电子向相反的方向移动。由于在硅晶格中形成了正孔,这些材料被称为p型材料。

pn结二极管

最常用的半导体二极管是p-n结二极管。P-n结二极管是由p型和n型半导体熔合而成。当两种半导体熔合时,就会在结处产生势垒电压。

PN结二极管,PN半导体结二极管

图3。PN结二极管.图片来源:https://toshiba.semicon-storage.com

对于这种类型的二极管,n型硅半导体有一个p型硅所需要的额外电子。因此,电子通过扩散过程从n型材料穿过结迁移到p型材料。类似地,p型材料有额外的孔洞,n型材料上的原子需要孔洞,那么孔洞将通过结扩散到n型材料。这一过程产生了穿过结的扩散电流。这一过程不断重复,直到穿过结的电子数量产生大量电荷,从而排斥或允许更多的载流子通过结。yb体育app网站

因此,一种平衡状态被创造出来,在结合部周围产生一个势垒。这是因为供体原子现在排斥空穴而受体原子现在排斥电子。这个势垒是结的两侧带正负电荷的区域,也称为损耗层。与半导体n型和p型材料相比,损耗层没有更多的自由载流子。

为了在结区周围保持中性电荷,P型和n型半导体上的总电荷应该相等且相反。从上图可以看出,损耗层的距离为“D”。为了保持中性状态,损耗层需要从该层的正极穿过Dp的距离进入硅,从损耗层的负极穿过Dn的距离。这给出了Dp*NA = Dn*ND的关系式。通过维持这种关系,可以获得一种平衡态。

P-N结二极管的操作

P-N结二极管有两个区域,分别是p型和n型。只有当电压增加时,电子才会从n侧流向p侧。同样,只有当施加在p型材料上的电压增加时,从p侧的孔才会移动到n侧。简单地说,需要推动电子或空穴从一边移动到另一边。这种推动产生了浓度梯度,使得载流子通过扩散过程从高浓度区域流向低浓度区域。这个过程允许电流在电路中流动。

P-N结的偏置条件

当施加电压时,可以得到p-n结的三种类型的偏置条件。它们是:

  • 无外部电压的零偏置。
  • 正向偏压
  • 反向偏压

正向偏压

在正向偏置条件下,电压势或电池的正极接在p型材料上,负极接在n型材料上。阳极与阴极正。

二极管在正向偏置条件下的导通
图4。二极管的正向偏置.绿色为正电压,红色为负电压。

在正向偏置条件下,内置电场和外加电场是相反的。当两个电场加在一起时,合成的电场的大小比内置电场小得多。这就产生了一个反应性较低的损耗层,并减小了其大小。

当施加大电压时,损耗层的电阻变得可以忽略不计。如果半导体材料是硅,一个施加电压0.6V电压可以导致损耗区域的整体电阻变得完全可以忽略不计。这使得电流可以在电路中自由流动,没有任何障碍。

反向偏压

当电压电位的正极连接到n型材料,负极连接到p型材料时,称p-n结为反向偏置。阳极是负极。

反向偏置条件下的二极管导通yb体育app网站
图5。反向偏置在二极管。绿色为正电压,红色为负电压。

在反向偏置条件下,内置电场和外加电场方向相同。当两个电场相加时,产生的电场也在相同的方向上,并且比内置电场大得多,因此,形成了一个电阻更大、更厚、更大的损耗层。随着电压的增加,损耗层的电阻性会增加,厚度也会增加。

P-N结二极管的VI特性

图6。P-N结二极管的VI特性
图6。P-N结二极管的VI特性

PN结二极管的VI特性用显示电路中电压和电流之间关系的曲线表示。图6示PN结二极管的VI特性。从这条曲线可以看出,一个二极管有三个工作区域。它们是:

  • 零偏差
  • 正向偏压
  • 反向偏压

如前所述,在零偏置条件下,电路没有连接到任何外部电压电源,这意味着在结处的势垒不会改变,因此没有电流流过二极管。

在正向偏置条件下,一个外部电压被加到二极管上。这使得电流通过它,因为势垒的尺寸和厚度减小了。对于硅,施加的电压需要在0.7V左右,对于锗,它需要在0.3V左右。可以观察到,当工作在正向偏置条件下,电路中的电流流量增大,因此电流与电压之间呈非线性关系。这是因为施加到二极管上的电压正在克服势垒,以允许电流通过结。一旦二极管克服势垒,二极管的特性表现正常,给出一个线性图。

在反向偏置条件下,整体势垒厚度增大。观察到,由于结中存在少数载流子,反饱和电流流动。当外加电压增加时,少数载流子获得的动能会影响多数载流子。这可能导致二极管击穿或被完全摧毁。

P-N结二极管击穿

P-N结二极管击穿的原因有两种:

  • 齐纳击穿
  • 雪崩击穿
P-N结击穿特性
图7。P-N结二极管击穿特性

齐纳击穿

在重掺杂的p-n结二极管中,结薄,损耗层宽度小,可以观察到这种现象。齐纳崩溃不会伤害它们。电流的上升也非常小,是由于电子的漂移造成的。

雪崩击穿

雪崩击穿发生在p-n结中,其结较厚,损耗层较宽。雪崩击穿发生时,高反向电压施加在整个二极管。当施加的反向电压增加时,穿过结的电场将持续增加。雪崩故障通常是破坏性的。

PN结二极管的应用

众所周知,PN结二极管是大多数半导体器件的基本组成部分,包括:

  • 也可用于电路整流。整流的过程就是把交流电转换成直流电。p-n结二极管允许电流在其正向偏置条件下流动,并在其反向偏置条件下阻塞电流。这些条件允许它用作整流器。
  • 该二极管也用于箝位电路中的直流恢复。
  • 也可用于裁剪电路中的波形整形
  • 二极管用于解调电路。
  • 它们用于电压倍增器。
  • 在电路中使用的数字逻辑电路中,P-N结二极管也用作开关。
  • 它们被广泛用于电压调节。

总结

二极管是由p型和n型材料熔合而成的半导体器件。它只允许电流朝一个方向流动。当它的阳极连接到正极,阴极连接到负极时,它被称为正向偏压并允许电流流动。当阳极和阴极以其他方式连接时,称为反向偏置。当施加的反向偏置电压超过一定水平时,发生雪崩击穿,二极管开始在反向偏置条件下导电。

留下一个回复