【模拟电子技术Analog Electronics Technology 3】——PN结和半导体二极管的特性，你懂了吗？

在上一篇博文中，我们已经详细地介绍了PN结形成的过程，下面，我们将把PN结和半导体二极管结合起来，看看它们都有哪些特性：

我们平时常用的半导体二极管，为一个由p型半导体和n型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于PN 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

1. 单向导电性

首先，给一个PN结分别加正偏和反偏电压的情况如图所示：

1. 当给PN结一个正偏电压，促使P，N区中的多子进入空间电荷区，从而使空间电荷区变窄，进而又促进多子的扩散运动，由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，因此正向导通，产生电流（注意：导通时我们要限制回路中的电流，防止PN结因为正向电流过大而损坏）
2. 当给PN结一个反偏电压时，外电场使得空间电荷区变宽，从而削弱了扩散运动的进行，促进了少子的漂移运动（当然，这样产生的电流非常小）

1.1.PN结的电流方程

这个公式是需要记忆的：$$i_D=I_S(e^{\frac{u_D}{U_T}}-1)\text{\hspace{1em}(1)}$$
其中，$i_D,u_D$分别表示流过PN结以及在PN结两端所加的电压，$U_T$为温度的电压当量
在T = 300K时，$U_T$ ≈ 26mV
小贴士：当题目给出的T不是300K时，我们可以通过比例关系确定$U_T$，即$\frac{300}{26}=\frac{T^{{}^{\prime }}}{U_T^{{}^{\prime }}}$

2. 伏安特性

首先我们来看看PN结或者是二极管的伏安特性曲线，然后我们对它进行详细地分析
（$因为像我们做实验经常会画各种曲线图，学会分析的调理就很重要$）

首先，我们从$u_D$的位置分析：
一，当$u_D$ > 0 时（我们管这个叫做正向工作区），通过曲线的走势我们可以再分成两种情况

• 0 < $u_D$ < $U_{on}$：这里的$U_{on}$表示开启电压，在这种情况下，$i_D$ = 0A，原因是此时的外加正偏电压还不足以冲破势垒的束缚，也就是扩散运动的强度还不够，因此还暂时无法产生电流
• 当$u_D$ > $U_{on}$时，$i_D$随$u_D$呈指数关系变化（由于$u_D$ >> $U_T$，因此由(1)式可知，$i_D\approx I_S{e}^{\frac{u_D}{U_T}}$

二，当$u_D$ < 0时

• 当$-U_{BR}<u_D<0$时，一开始电流稍微有一点反向增大$(因为此时少子还没有完全参与漂移运动)$，随后，反向电流保持稳定，称为$I_S$:反向饱和电流（请注意反向电流的单位我们这里用的是μA）

• $u_D<-U_{BR}$：我们可以看到反向电压陡增，我们叫做反向击穿，击穿也分成了齐纳击穿和雪崩击穿，这里先不做分析

3. 温度特性

我们看看改变温度对PN结或者二极管伏安特性曲线的影响：

温度升高，对于正向工作区，曲线左移，意味着导通所需要达到的开启电压变小了（更容易导通）
而对于反向工作区以及击穿区，曲线下移

4.电容效应

PN结的电容效应分为势垒电容和扩散电容

• 势垒电容：前提：给PN结施加反向电压，而反向电压的变化引起PN结空间电荷区宽度变化，也就是空间电荷区的电荷量发生变化，这与电容器充放电过程类似
• 扩散电容：前提：给PN结施加正偏电压，而由于正偏电压的促进使扩散运动加剧，正偏电压的变化因此扩散区电荷的变化，这也与电容器充放电过程类似

5. 二极管的特性应用：（考试秘笈）

【1】二极管的动态等效电阻$r_d$：$$r_d=\frac{U_T}{I_D}$$
其中，$U_T$是常量，等于26mV；$I_D$是静态时流过二极管的电流。（因此，我们发现，二极管的动态电阻$r_d$是会随着$I_D$而变化的！！)

【2】二极管的重要公式：
$$i_D=I_S(e^{\frac{u}{U_T}}-1)$$
$$r_d=\frac{U_T}{I_D}$$

【3】二极管工作状态以及输出电压的求解方法：

1. 首先是一个二极管的情况（当然考试不可能那么简单只给出一个二极管）：那么我们直接看二极管两极的电位就OK了，看是正偏还是反偏。
2. 如果是两个二极管（我们首先看看两支二极管有没有同时导通的可能性，如果没有，那么我们分别先令一支二极管导通，计算另外一只二极管两端的电压，如果算出来另外一支二极管截止，OK那没毛病，如果算出来发现这时另一只二极管导通了，那么说明与事实不符，排除这种情况）
   我们来看看下面的例题体会一下：
   【问】：判断下列二极管的情况以及输出电压：
   
   图(a)就是我们所说的单一二极管的情况，明显地，二极管处于导通状态，因此输出$u_{o1}$ = 2V - 0.7V = 1.3V
   对于图(b)，首先我们看看二极管能不能同时导通：由于两支二极管的极性方向是一样的，当他们同时导通时，$u_{D_1}=u_{D_2}=0.7V$，由于$D_1$和$D_2$所在支路是并联关系，因此，它们的支路电压应该是一样的，但是这两条支路的$V_2$和$V_3$是相反的，因此，如果它们同时导通，支路电压不能相等。因此，两支二极管不能同时导通！
   下面，我们看当$D_2$导通时：$u_{D_2}=0.7V$(上正下负），因此该支路的电压为-2.3V，因此，$D_1$就不能够导通。没毛病。
   当$D_1$导通时，$u_{D_1}=0.7V$，该支路电压就是3.7V（上正下负），那么导致加在$D_2$两端的电压就是+6.7V(上正下负），$D_2$导通。不合事实，排除
   因此，最终$D_2$导通，$D_1$截止，输出电压为-2.3V

【4】场效应管的两个重要公式：

1. 结型场管：$$i_D=I_{DSS}(1-\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}{)}^2$$
2. MOS管：$$i_D=I_{DO}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1{)}^2$$

$U_{GS(off)}$和$U_{GS(th)}$都可以在给出的特性曲线中读出来（$i_D$为0时对应的电压值）

【3】稳压管的连接（串联、并联）的组合，计算稳压值
两种稳压值不同的稳压管串联能够得到4种不同的稳压值、并联能够得到两种不同的稳压值（0.7V和较小的那支稳压管的稳压值）

【4】由三个脚的电位判断晶体三极管或场效应管各个极以及类型
三极管的比较简单，主要是场管的，下面给出一个各种场管各交脚的电位正负情况：

P型场管的极性和N型场管极性相反（记忆方法：N沟道增强型MOS管g,d,s三个极的电位关系对应于NPN管基极、集电极、发射极的电位关系、N沟道结型场效应管g，s之间的电位关系的反过来的、N沟道耗尽型MOSG管只要保证d是+的，高于s)