如果在PN结上加正向电压,外电场与内电场的方向相反,扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,于是空间电荷区变窄,内电场被削弱,多数载流子的扩散运动增强,形成较大的扩散电流(由P区流向N区的正向电流)。在一定范围内,外电场愈强,正向电流愈大,这时PN结呈现的电阻很低,即PN结处于导通状态。
如果在PN结上加反向电压,外电场与内电场的方向一致,扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,于是空间电荷区变宽,内电场增强,使多数载流子的扩散运动难于进行,同时加强了少数载流子的漂移运动,形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少,因此反向电流不大,PN结的反向电阻很高,即PN结处于截止状态。
一 PN单向导电性 PN结加正向电压时,可以有较大的正向扩散电流,即呈现低电阻, 我们称PN结导通; PN结加反向电压时,只有很小的反向漂移电流,呈现高电阻, 我们称PN结截止。 这就是PN结的单向导电性。 (1) 加正向电压(正偏)——电源正极接P区,负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动>>漂移运动→多子扩散形成正向电流(与外电场方向一致)I F (2) 加反向电压(反偏)——电源正极接N区,负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动>>扩散运动→少子漂移形成反向电流I R 单向导电性是二极管最重要的特性。利用单向导电性可以判断二极管的好坏,正偏时电阻值小,反偏时电阻值大,否则,二极管是损坏了的。 二极管单向导电性失败的场合及原因∶ 1、正向偏压太低。(不足以克服死区电压) 2、正向电流太大。(会使PN结温度过高烧毁) 3、反向偏压太高。(造成反向击穿) 4、工作频率太高。(使结电容容抗下降而反向不截止) PN结具有单向导电的特性,这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。 如果在PN结上加正向电压,外电场与内电场的方向相反,扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,于是空间电荷区变窄,内电场被削弱,多数载流子的扩散运动增强,形成较大的扩散电流(由P区流向N区的正向电流)。在一定范围内,外电场愈强,正向电流愈大,这时PN结呈现的电阻很低,即PN结处于导通状态。 如果在PN结上加反向电压,外电场与内电场的方向一致,扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,于是空间电荷区变宽,内电场增强,使多数载流子的扩散运动难于进行,同时加强了少数载流子的漂移运动,形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少,因此反向电流不大,PN结的反向电阻很高,即PN结处于截止状态。 由以上分析可知,PN结具有单向导电性,这是PN结构成半导体器件的基础。 处于平衡状态下的PN结没有实用的价值,PN结的实用价值只有在PN结上外加电压时才能显示出来。 1.外加正向偏置电压 电路如图所示,P型半导体接高电位,N型半导体接低电位,这种连接方式下的PN结称为正向偏置(简称正偏)。当PN结处在正向偏置时,外电场和内电场的方向相反。在外电场的作用下,P区的空穴和N区的电子都要向空间电荷区移动,进入空间电荷医的电子和空穴分别和原有的一部分正、负离子中和,打破了空间电荷区的平衡状态,使空间电荷区的电荷量减少,空间电荷区变窄,内电场相应的被削弱。此时有利于P区多子空穴和N区的多子电子向相邻的区域扩散,并形成扩散电流,即PN结的正向电流。在一定范围内,正向电流随着外电场的增强而增大,此时的PN结呈现出低电阻值,PN结处于导通状态。PN结正向导通时的压降很小,理想情况下,可认为PN结正向导通时的电阻为0W,所以导通时的压降也为OV。PN结的正向电流包含空穴电流和电子电流两部分,外电源不断向半导体提供电荷,使电路中的电流得以维持。图1所示正向电流的大小主要由外加电压U和电阻R的大小来决定。 <ignore_js_op>
![]() 2.外加反向偏置电压 在PN结上外加反向电压时的电路如图所示,处在这种连接方式下的PN结称为反向偏置(简称反偏)。当PN结处在反向偏置时,P型半导体接低电位,N型半导体接高电位。此时,外电场和内电场的方向相同,PN结内部扩散和漂移运动的平衡被打破。P区的空穴和N区的电子由于外电场的作用都将背离空间电荷区,结果使空间电荷量增加,空间电荷区加宽,内电场加强,内电场的加强进一步阻碍了多数载流子扩散运动的进行,但这对少数载流子的漂移运动却有利,少数载流子的漂移运动所形成的电流称为PN结的反向电流。少数载流子的数目有限,在一定范围内,反向电流极微小,称为反向饱和电流,用符号Is来表示。反向偏置时的PN结呈高电阻态,理想情况下,反向电阻为∞,此时PN绪的反向电流为0,PN结不导电,即PN结处于截止的状态。由于少数载流子与半导体的本征激发有关,本征激发与温度有关,所以PN结的反向饱和电流会随着温度的上升而增大。 <ignore_js_op>
![]() 可见,PN结的导电能力与加在PN结上电压的极性有关。当外加电压使PN结处在正向偏置时,PN结会导电;当外加电压使PN结处在反向偏置时,PN结不导电。PN结的这种导电特性称为PN结的单向导电性。 3.PN结的伏一安特性曲线 PN结电流和电压的约束关系不像电阻元件那样是线性的关系,而是非线性的关系,具有这种特性的元件称为非线性元件。非线性元件电流和电压的约束关系不能用欧姆定律来描述,必须用伏一安特性曲线来描述。 实验测得PN结的伏一安特性曲线如图所示。其中u>0的部分称为正向特性,u<0的部分称为反向特性。当反向电压超过UBR后,PN结的反向电流急剧增加,这种现象称为PN结反向击穿。 <ignore_js_op>
![]() PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐钠击穿两种。当掺杂浓度比较高时,击穿通常为齐纳击穿;当掺杂浓度比较低时,击穿通常为雪崩击穿。无论哪种击穿,若对电流不加以限制,都可能造成PN结的永久性损坏。 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离杂质(离子)是固定不动的 。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时,在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散,电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合,载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子,却有分布在空间的带电的固定离子,称为空间电荷区 。P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ,N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场,这电场阻止载流子进一步扩散 ,达到平衡。 在PN结上外加一电压 ,如果P型一边接正极 ,N型一边接负极,电流便从P型一边流向N型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,甚至消失,电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极,P型一边接负极,则空穴和电子都向远离界面的方向运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过。这就是PN结的单向导性。 PN结的单向导电性:PN结加正向电压时,形成较大的正向电流;而在加反向电压时,反向电流很小,这种特性称为单向导电性。 |