正反向偏置在二極管電路中的使用方式

正向偏置

在正向偏壓中，相對(duì)于結(jié)的 n 型側(cè)，正電壓被施加到 p 型側(cè)。以這種方式施加電壓時(shí)，p 型區(qū)中的空穴和 n 型區(qū)中的電子被迫朝向結(jié)。這減小了耗盡層的寬度。施加到 p 型材料的正電荷排斥空穴，而施加到 n 型材料的負(fù)電荷排斥電子。電子和空穴之間的距離隨著它們被推向結(jié)而減小。這降低了內(nèi)置的勢(shì)壘。隨著正向偏置電壓的增加，耗盡層最終變得足夠薄，以至于內(nèi)置電場(chǎng)不能再抵消穿過(guò) PN 結(jié)的電荷載流子運(yùn)動(dòng)，從而降低電阻。穿過(guò) PN 結(jié)進(jìn)入 p 型材料的電子(或穿過(guò) n 型材料的空穴)將在近中性區(qū)擴(kuò)散。因此，近中性區(qū)的少數(shù)擴(kuò)散量決定了可能流過(guò)二極管的電流量。

只有多數(shù)載流子(n 型材料中的電子或 p 型中的空穴)可以在宏觀長(zhǎng)度上流過(guò)半導(dǎo)體?？紤]到這一點(diǎn)，請(qǐng)考慮電子穿過(guò)結(jié)的流動(dòng)。正向偏壓在電子上產(chǎn)生一個(gè)力，將它們從 N 側(cè)推向 P 側(cè)。使用正向偏壓，耗盡區(qū)足夠窄，電子可以穿過(guò)結(jié)并注入 p 型材料。然而，它們不會(huì)無(wú)限期地繼續(xù)流過(guò) p 型材料，因?yàn)樵谀芰可嫌欣谒鼈兣c空穴復(fù)合。電子在復(fù)合之前穿過(guò) p 型材料的平均長(zhǎng)度稱(chēng)為擴(kuò)散長(zhǎng)度，通常為微米數(shù)量級(jí)。

盡管電子在復(fù)合之前僅穿透很短的距離進(jìn)入 p 型材料，但電流不會(huì)中斷，因?yàn)榭昭?多數(shù)載流子)開(kāi)始以相反的方向流動(dòng)，取代了少數(shù)載流子電子與之復(fù)合的空穴。總電流(電子和空穴電流的總和)在空間中是恒定的，因?yàn)槿魏巫兓紩?huì)導(dǎo)致電荷隨時(shí)間累積(這是基爾霍夫電流定律)?？昭◤?p 型區(qū)到 n 型區(qū)的流動(dòng)與電子從 N 到 P 的流動(dòng)完全相似(電子和空穴互換角色，所有電流和電壓的符號(hào)都顛倒了)。

因此，流經(jīng)二極管的電流宏觀圖涉及電子流經(jīng)n型區(qū)流向結(jié)，空穴以相反方向流經(jīng)p型區(qū)流向結(jié)，兩種載流子在結(jié)的附近(由擴(kuò)散長(zhǎng)度給出)。電子和空穴以相反的方向行進(jìn)，但它們也具有相反的電荷，因此根據(jù)需要，二極管兩側(cè)的總電流方向相同。

反向偏置

反向偏置通常是指二極管在電路中的使用方式。如果二極管反向偏置，則陰極電壓高于陽(yáng)極電壓。因此，直到電場(chǎng)高到二極管擊穿時(shí)才會(huì)有電流流動(dòng)。

因?yàn)?p 型材料現(xiàn)在連接到施加電壓的負(fù)側(cè)，p 型材料中的空穴被拉離結(jié)，導(dǎo)致耗盡層的厚度增加。同樣，因?yàn)?n 型區(qū)連接到正極，電子也會(huì)被拉離結(jié)。因此，耗盡層加寬，并且隨著反向偏置電壓的增加而增加。這增加了電壓勢(shì)壘，導(dǎo)致對(duì)電荷載流子流動(dòng)的高阻力，從而僅允許非常小的電流通過(guò) PN 結(jié)泄漏。

耗盡層電場(chǎng)的強(qiáng)度隨著反向偏置電壓的增加而增加。一旦電場(chǎng)強(qiáng)度增加超過(guò)臨界水平，PN 結(jié)耗盡層擊穿并且電流開(kāi)始流動(dòng)，通常是通過(guò)齊納擊穿或雪崩擊穿過(guò)程。這兩種擊穿過(guò)程都是非破壞性的并且是可逆的，只要流過(guò)的電流量沒(méi)有達(dá)到導(dǎo)致半導(dǎo)體材料過(guò)熱和熱損壞的水平。

這種效應(yīng)在齊納二極管穩(wěn)壓器電路中發(fā)揮了很大的作用。齊納二極管的設(shè)計(jì)具有明確定義的低反向擊穿電壓。擊穿電壓的典型值為例如 6.2V。這意味著陰極電壓永遠(yuǎn)不會(huì)比陽(yáng)極電壓高 6.2V 以上，因?yàn)槿绻妷荷?，二極管會(huì)擊穿，從而導(dǎo)通。這有效地限制了二極管兩端的電壓。

使用反向偏置二極管的另一個(gè)應(yīng)用是變?nèi)?可變電容)二極管。耗盡層充當(dāng)二極管的兩個(gè)導(dǎo)電板或端子之間的絕緣體。電容是絕緣層寬度及其面積的函數(shù)。任何二極管的耗盡區(qū)寬度都會(huì)隨著施加的電壓而變化。這會(huì)改變二極管的電容。變?nèi)荻O管特意設(shè)計(jì)為 PN 結(jié)的一側(cè)輕摻雜，因此二極管的那一側(cè)會(huì)有一個(gè)大的耗盡區(qū)。這個(gè)較厚的區(qū)域也將更多地受到施加的偏置電壓的影響，因此二極管的電容變化 (ΔC/ΔV) 將是施加的偏置的強(qiáng)函數(shù)。

審核編輯：湯梓紅