半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)-PN結(jié)二極管和二極管特性

從第一篇文章開(kāi)始：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（1）：材料和器件，覺(jué)得挺好，于是決定翻譯第二篇，有緣看到就進(jìn)行下去。 上篇最后預(yù)留了這樣一句話：

如果目標(biāo)是制造有用的電子組件，那么摻雜材料本身并沒(méi)有比原始半導(dǎo)體更好。 但是，當(dāng)我們將n型半導(dǎo)體與p型半導(dǎo)體相鄰放置時(shí)，一切都會(huì)改變。 此結(jié)構(gòu)稱為pn結(jié)，是下一個(gè)教程的主題。

這恰好呼應(yīng)地也是這篇文章，單純的摻雜可沒(méi)什么好說(shuō)的，要對(duì)目標(biāo)有用，才是摻雜的目的。我們要用摻雜的半導(dǎo)體材料做成有用的電子器件，就需要將摻雜后的n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體相鄰放置！

原文鏈接：The PN Junction Diode and Diode Characteristics 該篇教程探討了通過(guò)將n型半導(dǎo)體材料與p型半導(dǎo)體材料接觸而形成的電子結(jié)構(gòu)的物理和電氣行為。

正文

半導(dǎo)體組件（不僅是二極管和晶體管，而且是不常見(jiàn)的設(shè)備，例如TRIAC和可控硅的開(kāi)關(guān)）是通過(guò)組合n型和p型半導(dǎo)體而構(gòu)成的。 因此，重要的是要了解在n型和p型材料之間的界面處會(huì)發(fā)生什么。 我們將此接口稱為pn結(jié)。

pn結(jié)和半導(dǎo)體二極管

當(dāng)我們專注于半導(dǎo)體操作的物理學(xué)時(shí)，我們使用術(shù)語(yǔ)pn結(jié)； 當(dāng)我們專注于電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們使用二極管一詞。 但是它們本質(zhì)上是同一回事：基本的半導(dǎo)體二極管是連接有導(dǎo)電端子的pn結(jié)。 首先讓我們看一下圖表，然后我們將簡(jiǎn)要探討這個(gè)極為重要的電路元件的行為。

左邊的實(shí)心圓是空穴，右邊的實(shí)心圓是電子。耗盡區(qū)由與來(lái)自n型半導(dǎo)體的自由電子重新結(jié)合的空穴（這些重新結(jié)合的空穴由帶圓圈的負(fù)號(hào)表示）和與來(lái)自p型半導(dǎo)體的空穴重新結(jié)合的電子（以圓圈正號(hào)表示）組成。該復(fù)合導(dǎo)致耗盡區(qū)的p型部分帶負(fù)電，并且耗盡區(qū)的n型部分帶正電。

在p型和n型材料的接合處電荷的分離會(huì)導(dǎo)致電位差，稱為接觸電位。在硅pn結(jié)二極管中，接觸電勢(shì)約為0.6V。如上圖所示，該電勢(shì)的極性與我們預(yù)期的相反：在n型側(cè)為正，而在p型側(cè)為負(fù)。

電流可以通過(guò)擴(kuò)散流過(guò)結(jié)-由于結(jié)兩部分的電荷載流子濃度不同，一些來(lái)自p型材料的空穴將擴(kuò)散到n型材料中，而一些來(lái)自n型電子型材料將擴(kuò)散到p型材料中。但是，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，因?yàn)榻佑|電勢(shì)對(duì)該擴(kuò)散電流起阻擋作用。此時(shí)，我們將開(kāi)始使用術(shù)語(yǔ)勢(shì)壘電壓代替接觸電勢(shì)。

正向和反向偏置

如果我們將二極管連接到電池上，使得電池的電壓與勢(shì)壘電壓具有相同的極性，則結(jié)點(diǎn)將被反向偏置。 由于我們正在增加勢(shì)壘電壓，因此擴(kuò)散電流進(jìn)一步受到阻礙。

施加反向偏置電壓會(huì)使結(jié)的耗盡區(qū)變寬。

另一方面，如果我們將電池的正極連接到二極管的p型側(cè)，而負(fù)極將連接到n型側(cè)，則我們正在降低勢(shì)壘電壓，從而促進(jìn)電荷載流子在結(jié)上的擴(kuò)散。 但是，在我們克服勢(shì)壘電壓并完全耗盡耗盡區(qū)之前，電流量將保持相當(dāng)?shù)偷乃健?這在施加的電壓等于勢(shì)壘電壓時(shí)發(fā)生，并且在這些正向偏置條件下，電流開(kāi)始自由流過(guò)二極管。

二極管作為電路組件

前面的討論揭示了產(chǎn)生硅二極管電行為的兩個(gè)最突出特征的基本物理過(guò)程。

首先，當(dāng)以反向偏壓極性施加電壓時(shí)，pn結(jié)阻止電流流動(dòng)，而當(dāng)以正偏壓極性施加電壓時(shí)，pn結(jié)允許電流流動(dòng)。 這就是為什么二極管可以用作電流的單向閥的原因。

其次，當(dāng)施加的正向偏置電壓接近勢(shì)壘電壓時(shí)，流過(guò)二極管的電流呈指數(shù)增長(zhǎng)。 這種指數(shù)電壓-電流關(guān)系使正向偏置二極管的電壓降保持相當(dāng)穩(wěn)定，如下圖所示。

二極管的工作量可以近似為一個(gè)恒定的電壓降，因?yàn)楹苄〉碾妷涸黾訉?duì)應(yīng)于很大的電流增加。

下圖闡明了二極管的物理結(jié)構(gòu)，其電路符號(hào)以及我們用于其兩個(gè)端子的名稱之間的關(guān)系。 施加正向偏置電壓會(huì)使電流沿藍(lán)色箭頭方向流動(dòng)。

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