二极管知识总结 (正向偏置pn结变窄 反向偏置pn结变宽)
二极管知识总结 与 pn结变窄变宽的原因
1. 价电子:
每一个原子可依照电特性以分成3部分, 或称为三层轨道:
(1) 原子核: 例如铜原子有29个质子,带29个正电荷
(2) 内层轨道: 接近原子核的电子,铜原子有28个,原子核对这些电子的吸引力很强,当我们把内层轨道和质子视为一体时,铜原子就是+1的净电荷
(3) 价带轨道: 最外层的轨道, 原子核对轨道上的电子吸引力最弱, 这就是自由电子的来源, 在这个轨道上的电子称为价电子, 铜原子有1个价电子
2. 价电子与导电性:
良导体有1个价电子, 绝缘体有8个价电子, 半导体(硅)有4个价电子. 铜有1个价电子,可以称为1价原子
3. 共价键:
当几个原子结合在一起形成晶体, 相邻原子之间会各自有电子的轨道和对方相交,就是将两个原子稳定在一起的关键, 这些电子称为共价键 , 晶体的共价键数量,就是中心原子的价电子数,加上与其相邻的原子的数量.
以硅晶体为例, 是由一个硅原子(中心原子)和4个围绕在其四个方向的硅原子组成,总共5个原子, 围绕中心原子边上的四个原子互不相邻, 所以共价键的个数就是中心原子的4个价电子加上四个硅原子各贡献1个=4+4*1=8个
4. 价带饱和与空穴:
当共价键的数量达到8时, 如上述的硅晶体, 称为价带饱和, 此时这8个电子称为束缚电子,因为它们被中心原子紧紧束缚住了. 对于价带不饱和的晶体,会对外呈现较强的电子吸引力, 使其达到价带饱和. 对于共价键超过8个的晶体, 会对外排出一个电子, 这也是自由电子的来源之一. 平衡状态的共价键数量=8, 无论价带是否饱和, 因为质子的正电荷数量等于电子数, 所以都是呈现电中性的. 但是价带不饱和的晶体会从其他原子那里偷一个电子来,导致那个原子呈现正电荷, 这就是空穴的来源,所以总结而言, 价电子超过8的晶体,会贡献一个自由电子,价带不饱和的晶体会从其他原子那里吸引一个电子来, 间接贡献了一个空穴
5. 空穴的含义:
电子离开价带轨道的时候, 就空出一个位置, 称之为空穴, 所以自由电子和空穴是同时存在的, 只是比例的问题, 在纯净半导体(本征半导体) 里, 比例是1:1, 在杂质半导体里,如果是N阶半导体, 自由电子多于空穴, 此时称自由电子为多子(多数载流子),空穴为少子, 在P型半导体则相反. 自由电子和空穴都是带电荷的, 所以都是载流子.
6. 本征半导体:
纯净的硅(4价半导体), 本征激发同时产生一个自由电子和一个空穴, 呈现电中性. 再次结合称为本征复合.
7. N型半导体:
纯净硅添加5阶半导体, 4个硅原子和一个5价半导体(磷) 作为中心原子, 在此简称磷硅结合体, 共价键的数量=5+4*1=9 >8 , 会释放出一个自由电子. 所以自由电子(多子)多于空穴(少子)
8. P型半导体
纯净硅添加3价半导体(硼), 4个硅原子和一个3价半导体(硼) 作为中心原子, 在此简称硼硅结合体, 共价键的数量=3+4*1=7<8, 会吸引电子以达到价带饱和. 空穴(多子)多于自由电子(少子)
在本文中的二极管, P型区在左侧, N型区在右侧
9. 扩散运动:
当自由电子从浓度高的地方移动到浓度低的地方,称为扩散运动, N型半导体的自由电子浓度P型的高, 自由电子从二极管的右边(N型)往左边(P型)移动称为扩散运动, 形成的电流称为扩散电流, 由于N型里自由电子是多子, 所以漂移电流的自由电子量很大. 扩散运动与浓度差有关系,故当P型里的浓度提升后, 提升电压并不会显著提升电流量. 由于运动的自由电子在这里是多子,所以扩散运动又称为多子扩散.
10. 漂移运动:
在电场力的作用下, 自由电子的运动称为漂移运动, 在二极管中, P在左侧, N在右侧, PN结形成的电场力会让自由电子往右移, 自由电子从二极管的左边(P型)往右边(N型)移动称为漂移运动,形成的电流称为漂移电流, 由于P型里自由电子是少子, 所以漂移电流的自由电子量很少. 漂移运动与电场力有关系,但由于P型的自由电子是少子, 所以电场力的提升不能立即提升电流量. 由于运动的自由电子在这里是少子,所以漂移运动又称为少子漂移.
但是如果反向电压很强(大于50v), 则这些少量的自由电子运动速度就会非常快(电压高动能强,然而搬运动能的自由电子很少,只能加快速度搬运), 然后这些自由电子就有足够的能量打击其它价电子, 使其成为自由电子, 这些新生成的自由电子又会打击更多的价电子,所以自由电子的数量会爆炸式的增长,称为雪崩效应, 电流就会呈现指数级的增长, 称为击穿,一般而言如果击穿的电压是50v,工作电压会限制在25v,击穿不一定表示二极管永久损坏,如果电压没有超过二极管的额定功率,二极管可以恢复
11. 半导体的电流与单边导电性:
半导体的电流就是扩散电流和漂移电流的合, 由于扩散电流的自由电子是多子, 故导电性强, 漂移电流的电子是少子,故导电性很差,电流很小, PN结的载流子很少, 当正向偏置时(电池正极接到P区), 电流来源是多子扩散,pn结变窄,导电性高, 反向偏置时,电流来源是少子漂移,同时pn结变宽,导电性很差, 这就形成了二极管的单边导电性.
12. PN结, 耗尽层, 空间电荷区
这里我们想象N型半导体里有一个硅原子和一个磷硅结合体,P型半导体里有一个硅原子和一个硼硅结合体.
在N型半导体里, 当一个磷硅结合体(共价键=9)惨入纯净硅(共价键=8) 时,会释放一个自由电子,此时磷硅结合体为正电荷,N型半导体整体呈现电中性.
在P型半导体里, 当一个硼硅结合体(共价键=7)惨入纯净硅(共价键=8) 时,会从旁边的硅原子吸引一个自由电子,此时这个硅原子带正电荷(也就是一个空穴), 硼硅结合体带负电荷,P型半导体整体呈现电中性.
磷硅结合体(正电荷)和硼硅结合体(负电荷) 呈现稳定的状,因为其电子为共价键(束缚电子), 该区域的电性主要取决于其周围的自由电子和带正电荷的硅原子数量.
当上述的P型和N型结合时,在结合处的右侧(N型)有一个自由电子,左侧(P型)有一个带正电荷的硅原子(空穴), 这个自由电子就去和硅原子结合, 也就是扩散运动. 结合后, N型半导体就不是电中性了,是带正电荷. 而P型半导体是带负电荷. 这就形成了一个电场 (二极管的内电场),在结区附近的正负离子对称为对偶极子, 对偶极子的增加意味着载流子(自由电子和空穴)的减少, 所以称此区域为耗尽层, 又称为空间电荷区或PN结.
为漂移运动创造了条件. 而漂移运动中的自由电子,是从P型向N型运动的,刚好与扩散运动方向相反.这个区域称为势垒区, 其电荷量随着电压而增加,与电容相同, 故又称势垒电容, 硅二极管在25度C时的势垒为0.7v.
实际情况是P型和N型结合的附近发生上述情况, 这个区域称为PN结, 或是耗尽层(自由电子耗尽了), 空间电荷区(因为这个区域不再是电中性了,是有电荷的). 而在PN结的右侧, 也就是其余N型半导体的区域,还是有自由电子的. PN结的左侧, 也就是其余P型半导体的区域,还是有很多空穴的.
由于扩散运动(自由电子由N型向P型),和漂移运动(自由电子由P型向N型)是方向相反的力量, 刚开始的时候,并没有耗尽层, 只有扩散运动, 耗尽层形成后有了漂移运动, 当两个力量平衡后(移动的电子数相同时), 耗尽层停止增长,实现动态平衡.
在PN结的区域, 载流子(自由电子和空穴)是很少的, 所以PN结区域电阻大,
13. PN半导体结合前后的示意图:
左侧是P型半导体,右侧是N型半导体, 这里用硼硅结合体和磷硅结合体代表惨入的杂质:
(1) 结合前
电性来看:
电中性 =>(PN交界处)=> 电中性
形态上来看:
正电荷的硅原子(空穴) + 电中性硅原子+ 带负电荷的硼硅结合体=>
(PN交界处)=>
自由电子 + 电中性硅原子 + 带正电荷的磷硅结合体
(2) 结合后
电性来看:
电中性 =>负电荷 =>(PN交界处)=> 正电荷 =>电中性
形态上来看:
正电荷的硅原子(空穴) + 电中性硅原子+ 带负电荷的硼硅结合体=>
电中性的硅原子 + 带负电荷的硼硅结合体=>
(PN交界处)=>
电中性的硅原子 + 带正电荷的磷硅结合体 =>
自由电子 + 电中性硅原子 + 带正电荷的磷硅结合体
备注: 蓝色字体的部分就是PN结. 可以看出PN结的地区,其实就是正电荷的硅原子(空穴) 和自由电子互相结合的区域, 可以说是空穴和自由电子耗尽的区域, 所以称为耗尽层
14. 耗尽层的增大缩小
正向偏置就是电源正极连接P区,负极连接N区, 电流方向和内电场相反. 反向偏置就是电源正极连接N区,负极连接P区, 电流方向和内电场相同.
正向偏置减少PN结, 反向偏置增大PN结的原因, 国内的教程基本说的都是,因为内建电场变化, 反向偏置电场方向与内电场相同, 内电场增强, 所以PN结就大了.....不能说不对,但好像是在描述结果, 而不是解释原因.
灯塔国艾伯特.马尔维诺 Albert Malvino写的电子电路原理(李冬梅译) 里面对此有较为详细的说明. 这里就直接引用:
"由于电池负极吸引空穴, 正极吸引自由电子, 所以自由电子和空穴会从pn结附近流走,使得耗尽层变宽. " "当空穴和自由电子从结中向外移动时,新产生的离子使耗尽层的电势差增加,耗尽层越宽电势差就越大.当电势差与外加反向电压相同时,耗尽层就不再变宽了, 这时电子和空穴不再从结中向外移动"
至于正向偏置,Albert Malvino的其中一段描述是:
"当直流电压源的电压大于势垒电压时, 自由电子拥有足够的能量通过耗尽层并与空穴复合. 可以想象p区所有空穴向右移动,n区所有自由电子向左移动,这些极性相反的电荷在结附近相遇并复合.由于自由电子不断地进入二极管右端, 空穴也在二极管的左端不断产生, 因此二极管中有持续的电流流过"
以上就是原文, 原文并没有明确的写出PN结变小的过程,不过可以整理下, 因为p区接上电池正极,所以自由电子向左侧移动,空穴向右侧移动(原文说的p区所有空穴向右移动,n区所有自由电子向左移动),比较之前的图 :
正电荷的硅原子(空穴)和带负电荷的硼硅结合体=>(pn结的左侧)=>电中性的硅原子和带负电荷的硼硅结合体=>(PN交界处)=> 电中性的硅原子和带正电荷的磷硅结合体 => (pn结的右侧)=>自由电子和带正电荷的磷硅结合体
可以理解,p区所有空穴向右移动,n区所有自由电子向左,会导致PN结的边界变窄, 并最终导致了内电场变小.
最后可以总结下:
正向偏置和反向偏置对pn结变宽变窄的影响,主要是因为接电后,对多子的影响,也就是对p区空穴和n区自由电子的影响,少子因为数量太少, 他们的力量会被抵消掉,所以可以忽略, 如果将多子推向pn结, 就会导致pn结变窄 (因为pn结区其实就是自由电子和空穴耗尽的区域) , 相反的, 如果将多子拉离开结区, 就扩大了pn结的宽度.