模电 1 PN结

2020-06-05 模电 1 PN结

视频资料: B站 清华 华成英 模拟电子技术基础 https://www.bilibili.com/video/BV19s411a7KL

1 PN结 (p-n junction)

1.1 PN结的形成

由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子, 形成内电场, 从而阻止扩散运动的进行. 内电场使空穴从N区向P区 , 自由电子从P区向N区运动, 又叫作漂移运动.

参与 扩散运动 和 漂移运动 的载流子数目相同, 达到动态平衡, 就形成了PN结.

前置知识点:

• 电荷之间的相互作用是通过电场发生的。只要有电荷存在，电荷的周围就存在着电场。电场的基本性质是它对放入其中的电荷有力的作用，这种力就叫做电场力。
• 电场力方向: 正电荷沿电场线的切线方向，负电荷沿电场线的切线方向的反方向。
• 电场线由正电荷发射到负电荷, 与导体表面垂直, 与等势面垂直。
• P型半导体掺杂三价 硼(B), 本身不带电, 扩散运动后, 因为空穴被 带负电荷的电子 填补了, 所以带负电荷. 同理N型半导体带 正电荷. 所以, 电场力方向由N区向P区, 产生漂移运动, 阻碍扩散运动.
• 载流子: 运载电荷的粒子成为载流子. 在这里指 空穴和电子.

1.2 PN结的单向导电性

① P区连接直流电源正极, N区连接直流电源负极, 外电场削弱内电场, 耗尽层变窄, 扩散运动加剧, 形成扩散电流(电子的定向运动产生电流), PN结导通. (多数载流子运动)

② N区连接直流电源正极, P区连接直流电源负极, 外电场和内电场一致, 耗尽层变宽, 加剧漂移运动, 阻止扩散运动. 由于电流很小(电子的定向运动产生电流)(少数载流子运动), 故可以近似认为其截止.

前置知识点:

• 电路中的电场

导体中的电流是由电场决定，而此电场又是由分布于导体表面和内部的不均匀电荷所产生的。
理想导线中，既然电荷在运动，必定有纵向电场，根据U=Ed，该有电势差吧？没有！虽然有电场，但是最终的电场是垂直于导线表面，电势差U全部降在电阻上，因为电阻上有切向电场（因为导线和电阻连接处的电荷分布不同导致），如下图所示
来源:知乎

• PN结的反向击穿性(反向电压到一定程度 还是可以击穿的. 所以单向导电性只适用于一定的电流电压范围)

1.3 PN结的电容效应

结电容 = 势垒电容 + 扩散电容

1.3.1 势垒电容 (barrier capacitance)

空间电荷区(也称耗尽层) 宽窄的变化, 与电容的充放电类似, 是电荷的积累和释放的过程.

1.3.2 扩散电容 (Diffusion capacitance)

PN结外加的正向电压变化时, 在扩散路径上的 电荷的积累和释放.

电容不是常量, cpu频率太高, 电容就相当于短路了. PN结就失去了单向导电性.