PN結(jié)

1. PN結(jié)外加正向電壓

PN結(jié)外加正向電壓的接法是P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負(fù)極。這時外加電壓形成電場的方向與自建場的方向相反，從而使阻擋層變窄，擴(kuò)散作用大于漂移作用，多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成正向電流，方向是從P區(qū)指向N區(qū)。如圖(1)所示

這時的PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，它所呈現(xiàn)的電阻為正向電阻，正向電壓越大，電流也越大。它的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：

其中：ID為流過PN結(jié)的電流，U為PN結(jié)兩端的電壓，

UT=kT/q稱為溫度電壓當(dāng)量，其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電量，在室溫下(300K)時UT=26mv，IS為反向飽和電流。

2. PN結(jié)外加反向電壓

它的接法與正向相反，即P區(qū)接電源的負(fù)極，N區(qū)接電源的正極。此時的外加電壓形成電場的方向與自建場的方向相同，從而使阻擋層變寬，漂移作用大于擴(kuò)散作用，少數(shù)載流子在電場的作用下，形成漂移電流，它的方向與正向電壓的方向相反，所以又稱為反向電流。因反向電流是少數(shù)載流子形成，故反向電流很小，即使反向電壓再增加，少數(shù)載流子也不會增加，反向電壓也不會增加，因此它又被稱為反向飽和電流。即：ID=-IS

此時，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，呈現(xiàn)的電阻為反向電阻，而且阻值很高。

由以上我們可以看出：PN結(jié)在正向電壓作用下，處于導(dǎo)通狀態(tài)，在反向電壓的作用下，處于截止?fàn)顟B(tài)，因此PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。它的電流和電壓的關(guān)系通式為： 它被稱為伏安特性方程，如圖(3)所示為伏安特性曲線。

3. PN結(jié)的擊穿

PN結(jié)處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。

擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。

對于硅材料的PN結(jié)來說，擊穿電壓〉7v時為雪崩擊穿，<4v時為齊納擊穿。在4v與7v之間，兩種擊穿都有。由于擊穿破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，因此一般使用時要避免。

需要指出的是，發(fā)生擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。

4. PN結(jié)的電容效應(yīng)

由于電壓的變化將引起電荷的變化，從而出現(xiàn)電容效應(yīng)，PN結(jié)內(nèi)部有電荷的變化，因此它具有電容效應(yīng)，它的電容效應(yīng)有兩種：勢壘電容和擴(kuò)散電容。

勢壘電容是由阻擋層內(nèi)的空間電荷引起的。

擴(kuò)散電容是PN結(jié)在正向電壓的作用下，多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中引起電荷的積累而產(chǎn)生的。

PN結(jié)正偏時，擴(kuò)散電容起主要作用，PN結(jié)反偏時，勢壘電容起主要作用。

5. 半導(dǎo)體二極管

(1)二極管的結(jié)構(gòu)和分類

半導(dǎo)體二極管是由PN結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成的。它的類型很多。

按制造材料分：硅二極管和鍺二極管。

按管子的結(jié)構(gòu)來分有：點(diǎn)接觸型二極管和面接觸型二極管。

二極管的邏輯邏輯符號為： (2)二極管的特性

正向特性

當(dāng)正向電壓低于某一數(shù)值時，正向電流很小，只有當(dāng)正向電壓高于某一值時，二極管才有明顯的正向電流，這個電壓被稱為導(dǎo)通電壓，我們又稱它為門限電壓或死區(qū)電壓，一般用UON表示，在室溫下，硅管的UON約為0.6----0.8V，鍺管的UON約為0.1--0.3v，我們一般認(rèn)為當(dāng)正向電壓大于UON時，二極管才導(dǎo)通。否則截止。

反向特性

二極管的反向電壓一定時，反向電流很小，而且變化不大(反向飽和電流)，但反向電壓大于某一數(shù)值時，反向電流急劇變大，產(chǎn)生擊穿。

溫度特性

二極管對溫度很敏感，在室溫附近，溫度每升高1度，正向壓將減小2--2.5mV，溫度每升高10度，反向電流約增加一倍。

(3)二極管的主要參數(shù)

我們描述器件特性的物理量，稱為器件的特性。二極管的特性有：

最大整流電流IF 它是二極管允許通過的最大正向平均電流。

最大整流電流IF 它是二極管允許通過的最大正向平均電流

最大反向工作電壓UR 它是二極管允許的最大工作電壓，我們一般取擊穿電壓的一般作UR

反向電流IR 二極管未擊穿時的電流，它越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?/p>

最高工作頻率fM 它的值取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小，電容越大，頻率約高。

二極管的直流電阻RD 加在管子兩端的直流電壓與直流電流之比，我們就稱為直流電阻，它可表示為：RD=UF/IF 它是非線性的，正反向阻值相差越大，二極管的性能越好。

二極管的交流電阻rd 在二極管工作點(diǎn)附近電壓的微變化與相應(yīng)的微變化電流值之比，就稱為該點(diǎn)的交流電阻。

(4)穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其特性和普通二極管類似，但它的反向擊穿是可逆的，不會發(fā)生&ldquo;熱擊穿&rdquo;，而且其反向擊穿后的特性曲線比較陡直，即反向電壓基本不隨反向電流變化而變化，這就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性。穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)為穩(wěn)壓值UZ和最大穩(wěn)定電流IZM，穩(wěn)壓值UZ一般取反向擊穿電壓。穩(wěn)壓二極管使用時一般需串聯(lián)限流電阻，以確保工作電流不超過最大穩(wěn)定電流IZM 。

(5)二極管的應(yīng)用

二極管的運(yùn)用，主要是利用它的單向?qū)щ娦?。它?dǎo)通時，我們可用短線來代替它，它截止時，我們可認(rèn)為它斷路。因此，在應(yīng)用電路中，關(guān)鍵是判斷二極管的導(dǎo)通或截止。

a. 限幅電路

當(dāng)輸入信號電壓在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓也隨著輸入電壓相應(yīng)的變化;當(dāng)輸入電壓高于某一個數(shù)值時，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。我們把開始不變的電壓稱為限幅電平。它分為上限幅和下限幅。

限幅電路如圖(1)所示。改變E值就可以改變限幅電平。如輸入電壓波形圖如圖(2)。

當(dāng)E=0時限幅電平為0v。ui>0時二極管導(dǎo)通，uo=0，ui<0時，二極管截止，uo=ui，它的波形圖為：如圖(3)所示

當(dāng)0+E時,二極管導(dǎo)通,uo=E,它的波形圖為:如圖(4)所示

b. 二極管門電路

二極管組成的門電路，可實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。如圖(6)所示的電路，只要有一條電路輸入為低電平時，輸出即為低電平，僅當(dāng)全部輸入為高電平時，輸出才為高電平。實(shí)現(xiàn)邏輯"與"運(yùn)算.

c.其他二極管

發(fā)光二極管

發(fā)光二極管簡稱LED，它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件，主要是由M-V族化合物半導(dǎo)體如砷化鎵(GaAs),磷化鎵(GaP)制成。

光電二極管

光電二極管是將光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。

光電耦合器件

光電耦合器件是由光電二極管和發(fā)光二極管組合起來的。

變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)的勢壘電容隨外加反向電壓的變化特性制成的。