什么是 P—N结

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什么是 P—N结 [复制链接]

我们通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了P—N结，它是构成其它半导体的基础，我们要掌握好它的特性！
一：异形半导体接触现象
在形成的P—N结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从N区向P区扩散；空穴从P去向N区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场(自建场). 它们的形成过程如图（1），（2）所示
在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。

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二：PN结的单向导电性
我们在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。
1.PN结外加正向电压
PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区。如图（1）所示
这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。它的关系是指数关系：
其中：ID为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压，
UT=kT/q称为温度电压当量，其中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量，在室温下（300K）时UT=26mv，IS为反向饱和电流。这个公式我们要掌握好！
2.PN结外加反向电压
它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂
移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流。即：ID=-IS
此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。
由以上我们可以看出：PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。
它的电流和电压的关系通式为： 它被称为伏安特性方程，如图（3）所示为伏安特性曲线。

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三：PN结的击穿

PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。   击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。   对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。   击穿并不意味着PN结烧坏。

四：PN结的电容效应

由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容效应有两种：势垒电容和扩散电容。    势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。    扩散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。 PN结正偏时，扩散电容起主要作用，PN结反偏时，势垒电容起主要作用。

五：半导体二极管
半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。它的类型很多。
按制造材料分：硅二极管和锗二极管。
按管子的结构来分有：点接触型二极管和面接触型二极管。
二极管的逻辑逻辑符号为：
1.二极管的特性
正向特性 当正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值时，二极管才有明显的正向电流，这个电压被称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压，一般用UON表示，在室温下，硅管的UON约为0.6----0.8V，锗管的UON约为0.1--0.3v，我们一般认为当正向电压大于UON时，二极管才导通。否则截止。 反向特性 二极管的反向电压一定时，反向电流很小，而且变化不大（反向饱和电流），但反向电压大于某一数值时，反向电流急剧变大，产生击穿。 温度特性 二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高1度，正向压将减小2--2.5mV，温度每升高10度，反向电流约增加一倍。

2.二极管的主要参数

我们描述器件特性的物理量，称为器件的特性。二极管的特性有：

最大整流电流IF 它是二极管允许通过的最大正向平均电流。

最大反向工作电压UR 它是二极管允许的最大工作电压，我们一般取击穿电压的一般作UR

反向电流IR  二极管未击穿时的电流，它越小，二极管的单向导电性越好。

最高工作频率fM 它的值取决于PN结结电容的大小，电容越大，频率约高。

二极管的直流电阻RD   加在管子两端的直流电压与直流电流之比，我们就称为直流电阻，它可表示为：RD=UF/IF 它是非线性的，正反向阻值相差越大，二极管的性能越好。

二极管的交流电阻rd 在二极管工作点附近电压的微变化与相应的微变化电流值之比，就称为该点的交流电阻。

六：稳压二极管

稳压二极管是利用二极管的击穿特性。它是因为二极管工作在反向击穿区，反向电流变化很大的情况下，反向电压变化则很小，从而表现出很好的稳压特性。

七：二极管的应用
我们运用二极管主要是利用它的单向导电性。它导通时，我们可用短线来代替它，它截止时，我们可认为它断路。 1.限幅电路
当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。
例1.试分析图(1)所示的限幅电路,输入电压的波形为图(2),画出它的限幅电路的波形
(1) E=0时限幅电平为0v。ui>0时二极管导通，uo=0，ui<0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：如图（3）所示
(2) 当0<E<UM时，限幅电平为+E。ui<+E时，二极管截止，uo=ui；ui>+E时,二极管导通,uo=E,它的波
形图为:如图(4)所示 (3)当-UM<E<0时,限幅电平为负数,它的波形图为:如图(5)所示 二：二极管门电路
二极管组成的门电路，可实现逻辑运算。如图(6)所示的电路，只要有一条电路输入为低电平时，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平。实现逻辑"与"运算.