从PN结到二极管

PN结,神奇的物理现象,奠定了如今丰富多彩的计算机世界。

本征半导体

一切都要从半导体的自身说起,由于半导体晶体的共价键结合能力很强,在T=0K时,最外层电子难以摆脱共价键的束缚,成为自由电子。

但是随着温度的升高,来到室温,有少数最外层电子获得了足够的能量,所以成为了自由电子,所以本征半导体有一定导电的能力,但是这样的电子毕竟很少,所以导电能力甚微。

本征半导体内的两中载流子:空穴和自由电子。

当电子挣脱共价键的束缚之后,电子离开共价键成为了自由电子,但是会在原来的共价键里留下空穴。空穴会吸引相邻的共价键中的电子来这里填补共价键,就这样往复,从效果上看这种电子的填补运动,就好像带正电的空穴在运动一样,这就是 空穴运动。

空穴运动

这样的过程,终究会动态平衡,也就是 电子-空穴平衡。

掺有杂质的半导体

本征半导体,导电能力很差。掺了杂质的半导体,人为的影响空穴密度和自由电子,就可以改变半导体的导电性能。

N型半导体

在纯净的半导体中插入少量的5价杂质元素(磷,锑等),在原来的晶格中有些硅原子会被替换成5价的杂质原子,这样杂质原子和其他硅原子形成4个共价键,但是杂质原子会有一个没有受共价键束缚孤电子,只被原子核吸引,但是原子核的束缚力远远不及共价键,所以在室温下,此电子就可以成为自由电子,失去电子的杂质原子,杂质原子就变成不可以移动的正离子

在N型半导体中,电子的浓度远远高于空穴的浓度,所以就被称为多数载流子,空穴成为少数载流子。

所以N型半导体靠电子导电,掺入杂质越多,自由电子就会越多,导电型就会越强!

P型半导体

倘若N型半导体是男孩,那么p型半导体就是女孩,PN结就是美好的爱情。

N型掺入5价杂质,P型就插入 3价杂质(硼,镓等),由于杂质原子在和周围的硅原子形成了共价键随之就产生了一个“空穴”,吸引着周围的硅原子来补全空穴,补全之后,杂质原子就成为了不可以移动的负离子。

与N型半导体相反,P型半导体空穴浓度远远大于电子,所以空穴被成为多数载流子(多子),自由电子就被叫为了少数载流子(少子)。

掺有杂质的半导体

在掺有杂质的半导体中,多数载流子的浓度主要取决掺入杂质浓度;少数载流子的浓度取决于温度。

PN结的形成

多子的扩散和少子漂移动态平衡

多子的扩散运动

一块糖放入水中,就会形成一杯浓度均匀的糖水,在自然界中粒子会浓度高向浓度低的地区扩散

在PN半导体的交界两侧,由于N型自由电子多,N型区的自由电子就先向P型区扩散,同时P型的空穴也要向N区扩散,空穴和自由电子相遇复合消失,

于是在两侧形成了不可移动正、负离子的空间电荷区,也就是PN结,由于在空间电荷区里缺少可以自由移动的多子,由被成为空穴

虽然有空穴和自由电子的复合,但是PN组成整体仍旧保持电中性,毕竟没有外界的电荷掺和。

这样的扩散运动不能源源不断,因为在复合的过程中破坏了P和N的电中性,P区带正电,N区带负电,形成了N区指向P区的内电场内电场阻止了扩散运动的继续。

少子的漂移运动

内电场虽然阻止了扩散运动,P、N各自少子在内电场的作用下反而跟有利交换。也就是P区的自由电子向N区进发,N区的空穴向P区进发,这就是漂移运动。当然漂移运动导致内电场的变弱

内电场阻止扩散运动,扩散运动加强内电场;内电场加强漂移运动,漂移移动削弱内电场。

最终漂移运动就最终和扩散运动动态平衡。

动态平衡的PN结就和充电后电容一样,p区比N区电势低。

PN结的单向导电性

PN结会自然的达到动态平衡状态,但是外加电压就会破坏原来的平衡状态,即扩散电流不再等于漂移电流。

PN外加正向电压(正偏)而导通

P,N半导体都是靠各自的多子在导电,也就是通过扩散电流导电!而PN结内电场阻碍了扩散运动,所以我们需要P端接电源正极,N端接电源的负极,此时称PN结外加正向电压(正偏),如下图,外电场的多数载流子会推向空间电荷区,是ta变窄,削弱了内电场。由于电源的存在,扩散运动可以不断进行,从而导通。

PN结导通的时候只有零点几(硅 0.7V),所以需要在为他串联一个电阻分压和限制电流,防止PN结因正向电留过大二而损坏。

正向导通

PN结外加反向电压(反偏)而截至

当电源的正极接到N端,负接P端,称为PN接接反向电压(反偏),如图,会导致电去空间区变宽,从而加剧了漂移运动,阻碍着扩散运动。漂移运动形成的反向电流,由于是由少子导电,所以电流非常小(此时PN结的电阻非常大),反向电流非常小,可以忽略不计,认为此时处于截至状态。

反向截至

二极管

二极管的核心就是PN结。

二极管的分类

将PN结用外壳封装起来,并且加上点击引线,P区的引线为阳极,N区的就为阴极。常见的二极管的外壳如下图所示。

深度截图_选择区域_20210313161836

二极管按照材料分类,硅二极管和锗二极管。从二极管的构成来分类,点接触型和面接触型。

点接触型:

  1. 接触面积小,不容许通过较大的电流
  2. 结电容小,允许在高频下工作
  3. 合适检波和小功率整流电路。

面接触型:

与电接触相反,

  1. 接触面积大,容许通过较大的电流
  2. 结电容大,允许在底频下工作
  3. 大功率功整流电路。

此外还有一个开关型二极管,适合在脉冲数字电路作为开关官。

二极管的伏安特性

深度截图_选择区域_20210313162850
正向特性:

在二极管正偏的时候,外加电压小于开启电压不足以削弱内电场,无法导通。大于开启电压之后就才会有明显的变化。开启电压又叫死区电压。

硅二极管,一般为0.5,锗一般为0.1。
$$
U_on : 死区电压
$$
当电压大于死区电压之后,电流随着电压的升高迅速增大,基本为指数及曲线。

反向特性:

当二极管反偏的时候,当电压小于反向击穿电压的时候,电流随着反向电压的增大而增大,但是到一定电压后不再增大,因为少子的数量是一定的。

此时的电流称为反向饱和电流(其实就是漂移电流)

当电压大于反向击穿电压之后,反向电流迅速增大,此现象称为击穿,二极管在击穿之后不再具有单向导电性。

主要:击穿不意味这二极管被损坏,事实上,只要控制反向电流的数值,不使其过大,即可避免烧坏二极管。当然反向电压降低之后,二极管的性能,有可能回复正常。
$$
I_s :饱和电流

U_Br :方向击穿电压
$$

二极管的主要参数

  1. 反向电流 ,越小说明二极管的单向导电性越好
  2. 最大整流电流,允许二极管最大平均正向电流,电流过高,二极管会过热而烧毁。
  3. 最高反向电压,一般取击穿电压的一半,高于该数值,二极管有可能被击穿。
  4. 最高工作频率,结电容越大,最高工作频率越小。

练习一下

例题1

已知Ui=6sinwt,两个二极管都是理想二极管,求 $U_o$ 的时间曲线

IMG_20210313_201831

解答

理想二极管,也就是没有压降,在正偏的时候作为导线(没有电阻),反偏的时候作为断路。

摩擦这种题目,其实没有给分压电阻R的阻值,那么可以理解为可变电阻自动帮你让二极管工作在稳定状态

基本套路是,

  1. 先忽略电阻的分压作用,看成导线
  2. 判断 二极管的状态
  3. 如果非理想型,考虑二极管压降
  4. 理想型判断是否导通即可

规定 $U_o$ 的负极为0电势

我简单分析下,$0<U_i<3$ $3<U_i<6$ 这两段

  1. $0<U_i<3$

    可以发现两个二极管,都是反偏,都是不导通状态,所以变化曲线和原来的相同

  2. $3<U_i<6$

    左手这边的二极管可以导通,那么相当于 输入电压$U_i$ 被短路(二极管旁边的电源,不考虑内阻,理想二极管导通没有电阻),所以$U_o = 3V$

后面的和这个想法一样啦。

例题2

已知道下列二极管的导通电压为0.7V,求 Uo

image-20210313204950617

解:

这个就是非理想半导体,其实也不复杂,一句话可以解决:

如果可以导通,阳极的电势比阴极高0.7V.

基本套路:

  1. 先忽略电阻的分压作用,看成导线
  2. 判断 二极管的状态,是否可以导通
  3. 如果可以导通,阳极的电势比阴极高0.7V (先分析干扰因素小的那一边的电势)

以d为例子:

先把电阻看作导线,二极管阳极电势为 3V,阴极为-3,可以导通。

那么由于阴极那一边还要电阻相连无法直接判断,但是阳极与电源相连,可以直接确认为3V

阳极的电势比阴极高0.7V ,所以阴极电势为2.3 V

那么Uo= 2.3 -0 =2.3V

例题3

image-20210313205923036

先分析电势差大的二极管,电势差大的二极管会钳制自己两端的电压,与之并联的原件电压与其相同。

稳压管

稳压管就是利用,二极管方向击穿时,稳压管的电流急速增大,但是两端的电压缺几乎不变。

一般的二极管击穿之后极大的概率损坏,但是稳压管时用特殊的工艺制作而成。

符号:

img

主要参数:

  1. 稳定电压 ,稳压管正常工作时,两边的电压。
  2. 稳定电流,稳压管在正常工作时的参看电流范围
  3. 最大耗散功率
  4. 动态电阻
  5. 电压温度系数,温度没上升1℃引起的稳定电压的变化值。

习题

知道 Dz 的稳定电压为6V,最小恒定电流为5mA.求电路中两个2k欧姆的电压

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Q.E.D.


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