PN連接二極管的設計要點詳解
PN連接二極管由p區域和N區組成，該區域由耗盡區域分離，該區域存儲了電荷。上一個教程中描述的效果是實現的，而沒有將任何外部電壓應用于實際的PN連接，從而導致連接處處于平衡狀態。
PN連接二極管由p區域和N區組成，該區域由耗盡區域分離，該區域存儲了電荷。上一個教程中描述的效果是實現的，而沒有將任何外部電壓應用于實際的PN連接，從而導致連接處處于平衡狀態。
PN連接二極管由p區域和N區組成，該區域由耗盡區域分離，該區域存儲了電荷。上一個教程中描述的效果是實現的，而沒有將任何外部電壓應用于實際的PN連接，從而導致連接處處于平衡狀態。
但是，如果我們要在N型和P型材料的末端進行電氣連接，然后將它們連接到電池源，則現在存在一個額外的能源來克服潛在的屏障。
添加這種額外能源的效果導致自由電子能夠從一側到另一側越過耗竭區域。 PN連接在潛在屏障的寬度方面產生的不對稱導電兩個末端裝置，即PN連接二極管。
PN連接二極管是周圍簡單的半導體設備之一，并且具有僅在一個方向上通過自身的電特征。但是，與電阻不同，二極管相對于施加的電壓并不線性地行為。取而代之的是，它具有指數的電流（IV）關系，因此我們無法通過簡單地使用諸如ohm定律之類的方程來描述其操作。
如果在PN連接的兩端之間應用合適的正電壓（正向偏置），則隨著PN連接圍繞耗竭層的寬度降低，它可以為越過連接所需的額外能量提供自由電子和孔。。
通過施加負電壓（反向偏置）會導致自由電荷從連接處撤離，從而增加了耗盡層的寬度。這具有增加或降低連接本身的有效電阻的效果，從而允許或阻斷通過二極管通過二極管的流動。
然后，耗盡層隨著反向電壓的應用增加而擴大，并隨著向前電壓的應用增加而變窄。這是由于PN連接兩側的電氣性能的差異導致物理變化。結果之一會產生糾正，如PN連接二極管靜態IV（電流 - 電壓）特性所示。如下所示，當偏置電壓的極性改變改變時，通過不對稱電流流動顯示了整流。
連接二極管符號和靜態IV特征
PN連接二極管特征
但是，在我們可以將PN交界處用作實用設備或作為整流設備之前，我們首先需要偏向連接點，即連接其跨它的電壓。在上面的電壓軸上，“反向偏置”是指增加潛在屏障的外部電壓電勢。降低潛在障礙的外部電壓被認為朝著“正向偏置”方向起作用。
標準連接二極管有兩個操作區域和三個可能的“偏見”條件，它們是：
1。零偏見- 沒有外部電壓電勢應用于PN連接二極管。
2。反向偏置- 電壓電勢與P型材料和陽性（+VE）連接到二極管上的N型材料，該材料具有增加Pn連接二極管的寬度的作用。
3。向前偏置- 電壓電勢與p型材料和負（-ve）連接到二極管上的N型材料上，該材料具有降低PN連接二極管寬度的作用。
零有偏連接二極管
當二極管在零偏置條件下連接時，沒有將外部勢能應用于PN連接。但是，如果將二極管末端縮短在一起，則具有足夠能量以克服潛在屏障的P型材料中的幾個孔（多數載體）將在交界處越過這種屏障潛力。這被稱為“前向電流”，被稱為我同樣，在N型材料（少數載體）中產生的孔，發現這種情況有利，并沿相反方向跨連接。這被稱為“反向電流”，被稱為i r。如下所示，電子和孔在PN連接中來回的這種傳遞稱為擴散。
零偏置PN連接二極管
PN連接零偏見
現在，現在存在的潛在障礙會阻止整個交界處的任何多數載體的擴散。但是，潛在的障礙有助于少數族裔載體（p區域中的幾個自由電子，而在N區域中很少）在交界處漂移。
然后，當大多數載體相等并且均以相反的方向移動時，將建立“平衡”或平衡，以使凈結果為零電流在電路中流動。當這種情況發生時，據說連接處處于“動態平衡”狀態。
由于熱能而不斷產生少數載體由于沒有電路連接到PN連接。
反向偏見的PN連接二極管
當二極管在反向偏置條件下連接時，將正電壓應用于N型材料，并將負電壓應用于P型材料。
應用于N型材料的正電壓將電子吸引到正極電極，并遠離交界處，而P型端的孔也從連接點吸引到負電極。
終結果是，由于缺乏電子和孔，耗盡層的增長較寬，并且呈現出高阻抗路徑，幾乎是絕緣體，并且在整個連接處產生了高電位屏障，從而阻止電流流過半導體材料。
由于反向偏置而增加耗盡層
PN連接反向偏置
該條件代表了PN結的高電阻值，并且實際上零電流流過連接二極管，偏置電壓增加。但是，一個非常小的反向泄漏電流確實流過該連接，通常可以在微型重型（μA）中測量。
一個點，如果將二極管應用于二極管的反向偏置電壓VR增加到足夠高的值，則由于連接周圍的雪崩效應，會導致二極管的PN連接過熱和失敗。這可能會導致二極管縮短并會導致電路電流的流動，并且在下面的反向靜態特性曲線中顯示為向下斜率。
連接二極管的反向特性曲線
PN連接二極管反向特性
有時，這種雪崩效應在電壓穩定電路中具有實際應用，在二極管中使用串聯限制電阻器將這種反向分解電流限制為預設值，從而在整個二極管上產生固定的電壓輸出。這些類型的二極管通常稱為齊納二極管，在后來的教程中進行了討論。
正向偏見二極管二極管
當二極管在正向偏置條件下連接時，將負電壓應用于N型材料，并將正電壓應用于P型材料。如果該外部電壓大于潛在屏障的值，則大約。硅的0.7伏和0.3伏的鍺，潛在的屏障對立將被克服，并且電流將開始流動。
這是因為負電壓將電子推向交界處，從而使它們能夠越過，并與正向電壓向相反的方向推向相反的方向。這會導致零電流的特性曲線流到該電壓點，在靜態曲線上稱為“膝蓋”，然后通過二極管流動的高電流流，外部電壓幾乎沒有增加，如下所示。
連接二極管的正向特征曲線
正向特征
向前偏置電壓在連接二極管上的應用導致耗竭層變得非常薄且狹窄，這代表了通過交界處的低阻抗路徑，從而使高電流流動。在上面的靜態IV特征曲線上表示電流突然增加的點是“膝蓋”點。
由于前進偏置而導致的耗竭層減少
向前偏見
該條件表示穿過PN連接的低電阻路徑，從而使非常大的電流流過二極管，而偏置電壓只有很小的增加。通過大約0.3V的耗竭層的作用，晶鍺的耗竭層的作用保持恒定，對于硅連接二極管的作用約為0.7V。
由于二極管可以有效地變成短路，因此可以在此膝蓋上方傳遞“無限”電流，因此與二極管一起使用電阻來限制其電流流量。超過其向前電流規范會導致該設備以熱量形式耗散更多的功率，而不是為了使設備的快速故障而設計。
教程摘要
連接二極管的PN連接區具有以下重要特征：
半導體包含兩種類型的移動電荷載體：“孔”和“電子”。
當電子負電荷時，孔會積極充電。
半導體可能會摻有供體雜質（例如銻（N型摻雜）），因此它包含主要是電子的移動電荷。
半導體可能會摻有受體雜質，例如硼（p型摻雜），因此它包含主要是孔的移動費用。
交界區本身沒有電荷載體，被稱為耗竭區域。
連接（耗盡）區域的物理厚度隨施加的電壓而變化。
當二極管為零時，偏置不應用外部能源，并且在耗盡層上產生了自然電勢壘，硅二極管的耗盡層大約為0.5至0.7V，而在鍺二極管的伏特二極管則約為0.3。
當連接二極管向前偏向時，耗盡區域的厚度減小，二極管的作用就像短路，使全電路電流流動。
當連接二極管反向時，耗盡區域的厚度會增加，二極管的作用就像開路阻塞任何電流流動（只有很小的泄漏電流將流動）。
我們還在上面看到，二極管是兩個終端非線性裝置，其靜脈特征取決于極性，這取決于施加電壓的極性，v d二極管是向前偏置的，V d > 0或反向偏置， V d， V D <0。無論哪種方式，我們都可以為理想二極管和真實硅二極管建模這些電流 - 電壓特性，如下所示：
理想和真實特征
在下一個關于二極管的教程中，我們將查看有時稱為開關二極管的小信號二極管，該二極管在一般電子電路中使用。顧名思義，信號二極管設計用于低壓或高頻信號應用，例如在無線電或數字開關電路中。
信號二極管（例如1N4148）僅通過非常小的電流，而不是通常使用硅二極管的高電流電流二極管。同樣在下一個教程中，我們將檢查信號二極管靜態電流電壓特性曲線和參數。
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