模电（郑益慧）_笔记3 PN结与二极管特性

一、PN结的伏安特性

I = I_s(e^U/Ut - 1)

• I_s：反向饱和电流；（锗管的反向饱和电流大于硅管）
• U：PN结两端的电压；
• U_t ：温度当量，室温下是26mV；
• U_ON ：PN结的导通电压：
  • 锗管：0.2~0.3V；　硅管：0.6~0.7V；
  • PN结导通时，U/U_t远远大于1；
• U_BR：PN结的反向击穿电压；
  

1. 雪崩击穿

• PN结掺杂浓度比较低时，PN结比较长，反向电压达到一定程度，PN结变得足够长时就形成了一个粒子加速器，自由电子进去后，不断被加速，当撞到共价键上，把共价键上的自由电子创出来，一变二，二变四，发生链式反应，载流子浓度快速升高，电流快速增大，瞬间把PN结击穿；

• 温度越高，雪崩击穿所需的电压越高（温度变高，晶格振动加剧，更容易碰到加速的自由电子，导致自由电子加速的距离短，能量低，不容易把共价键上的自由电子创出来，所以需要更高的电压）；

2. 齐纳击穿

• PN结掺杂浓度很高时，PN结很窄，反向电压稍微增大一点，内电场的电场强度就增大很多，自由电子就可以克服共价键的束缚，载流子浓度快速升高，电流快速增大，PN结击穿；
• 内电场电场强度E = V / d；V是电场两端电压，d是电厂距离，当d很小时，1/d很大，此时电压变化很小，电场强度也会变化很大；
• 温度越高，齐纳击穿所需的电压越低（温度越高，自由电子越容易克服共价键的束缚）;

3. PN结的烧毁的原因

• PN结两端的功率过大，温度快速升高
  • P = UI； P为PN结的功率，U为PN结两端电压，I为PN结中的电流
• 当PN结击穿时，温度没有高到一定程度时，PN结还可以恢复；
• 当PN结击穿时，温度高到一定程度时（自由电子会进一步逃离共价键的束缚，之后会促进温度进一步升高，形成正反馈，不可逆转），PN会二次击穿（热击穿），不可恢复；

4.通过控制掺杂浓度来控制反向击穿电压—>制作不同规格的稳压二极管

• 掺杂浓度越低，击穿为雪崩击穿，所需的反向击穿电压越高；
• 掺杂浓度越高，击穿为齐纳击穿，所需的反向击穿电压越低；

二、PN结的电容效应

1.电容的理解

• 电容是反映电量和电压之间的关系，即在相同的电压变化范围内，电容越大，存储的电荷量变化越大；即如果一个器件两端的电压发生变化，其储存的电荷量发生变化的话，该器件就可以认为是一个电容；
  • 电容的计算公式： C = Q / U;C 代表电容；Q代表所带电量，U代表电压；

2. PN结的反向截至时的势垒电容（非线性）

• 随着反向电压增大，PN结变厚，PN结内的电荷量变多，等效为一个电容；该电容发生在势垒里面，称其为势垒电容；（非线性，即电容值不是固定的，可作为可变电容）
  • 势垒是指在物理系统中，由于势能的分布而形成的一种类似“障碍物”的区域，它会对粒子或其他物理对象的运动产生阻碍作用。从能量角度理解，粒子要跨越势垒，需要具有足够的能量来克服势垒所对应的势能差。
  • 半导体中的势垒：在半导体PN结中，由于P型半导体和N型半导体中载流子浓度的差异，在两者交界处会形成一个内建电场。这个内建电场对应的势能分布就构成了势垒，称为PN结势垒。它阻碍了P区的空穴和N区的电子进一步向对方区域扩散。
    
    

3.PN结正向导通时的扩散电容（非平衡少子与电压之间的关系形成的）

• PN结接正向电压时，在正向电压的作用下，N区的多子（自由电子）移动到P区，成为P区的少子（自由电子）；P区的多子（空穴）移动到N区，成为N区的少子（空穴），我们称这种少子为非平衡少子；
  -正向电压越大，PN结的P边界聚集的非平衡少子（自由电子）越多，N边界聚集的非平衡少子（空穴）越多，呈现出了电容特性。这种由非平衡少子扩散运动产生的电容，我们称为扩散电容。
  
  

三、半导体二极管

1. 二极管几种的外形

2.二极管的常见结构

3.二极管的伏安特性

• 二极管的伏安特性与PN结伏安特性几乎一样，区别如下：
  • 正向特性：二极管除了PN结外，其P区和N区有一定体电阻：在相同电压下，二极管的电流比PN结小；
  • 反向特性：加反向电压时，二极管除了有反向饱和电流外，表面封装还有泄漏电流，即二极管的反向电流比PN结的反向饱和电流要大些；
• 温度对二极管的影响：温度升高，正向特性向左移；反向特性向下移；（相同电压下，温度升高时，本征激发加剧，载流子浓度升高，电流增大）
  
  • 室温下，每升高1℃，正向导通压降减少2~2.5mV;
  • 每升高10℃，反向饱和电流增大一倍；
• 二极管的特性的应用
  • 单向导电性能规定电流的流向，从而规定电流的路径；—>能够把交流变成直流，即整流；
  • 二极管正向导通时，无论电流怎么变化，其两端的电压变化很小，能起到钳制电位（稳压）的作用，但电压很小；
  • 反向饱和电流大小随温度变化的特性可以用来做温度传感器；
  • 反向击穿电压，用来稳压，而且可以通过调节掺杂浓度来调节稳压的大小；