正向和反向偏置PN二極管解析

在本文中，我們將討論正向和反向偏置PN二極管。我們還推導(dǎo)了方程并求解了一個(gè)數(shù)值示例。首先，讓我們看一下反向偏置的pn二極管。

反向偏置PN二極管

圖1顯示了具有反向偏置的PN二極管，即電池的負(fù)極連接到二極管的P側(cè)，正極端子連接到N側(cè)。隨著連接的極性，P區(qū)中的空穴和N區(qū)的電子遠(yuǎn)離結(jié)點(diǎn)，耗盡區(qū)的寬度增加。勢(shì)壘的高度隨量 V 增加。這種增加的勢(shì)壘高度有助于減少多數(shù)載流子流向另一側(cè)，即從P側(cè)到N側(cè)的空穴和從N側(cè)到P側(cè)的電子。然而，少數(shù)載流子的流動(dòng)仍然不受勢(shì)壘高度增加的影響，因?yàn)檫@些少數(shù)載流子會(huì)落在勢(shì)能勢(shì)壘下。因此，從N側(cè)到P側(cè)的凈小反向電流流過(guò)由少數(shù)載流子攜帶的二極管。這個(gè)小電流是二極管反向飽和電流，其大小用 I 表示 0 .

反飽和電流 I0由下屬給出，

..........(1)

其中 A 是器件的橫截面積

D P （D n ）是空穴（電子）的擴(kuò)散常數(shù)，

L P （L n ）是空穴（電子）的擴(kuò)散長(zhǎng)度

N D （N 一個(gè) ）是供體（受體）雜質(zhì)密度和n我是空穴和電子的固有濃度。

內(nèi)在濃度 n我由以下等式給出

.........(2)

等式（2）也可以表示為：

...........(3)

其中 V去電壓（以伏特為單位）在數(shù)值上等于禁止的間隙能量 E去以 eV 和 V 為單位T是溫度的伏特當(dāng)量。

I 的值0取決于 P 和 N 區(qū)域的特性以及工作溫度。在室溫（300 K）下，I0對(duì)于Ge二極管，通常約為1 nA，對(duì)于硅二極管。這種反向飽和電流 I0與反向偏置的大小無(wú)關(guān)，但隨著溫度 T 的升高而增加。

正向偏置PN二極管

圖2顯示了具有正向偏置V的PN二極管，即電壓源V的正極端子連接到P側(cè)，負(fù)極端子連接到N側(cè)。在這種正向偏置下，P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子更靠近結(jié)點(diǎn)。耗盡區(qū)的寬度減小，勢(shì)壘電位降低到（V 0 -V）。這種降低的勢(shì)壘電位導(dǎo)致從P側(cè)到N側(cè)的多數(shù)載流子空穴通過(guò)結(jié)的流動(dòng)增加，以及從N側(cè)到P側(cè)的多數(shù)載流子電子的增加。穿過(guò)結(jié)點(diǎn)的這兩個(gè)電流分量加起來(lái)形成從 P 側(cè)到 N 側(cè)（即正向）穿過(guò)結(jié)點(diǎn)的常規(guī)電流，由下式給出，

.........(4)

然而，由于少數(shù)群體的攜帶者跌落了障礙物，因此少數(shù)攜帶者的流動(dòng)不會(huì)因障礙潛力的降低而改變。因此，反向電流不受影響，等于反向飽和電流I0由等式（1）給出。因此，凈正向電流由下式給出，

..........(5)

公式（5）是半導(dǎo)體二極管方程式，適用于施加電壓V的正值和負(fù)值，即正向偏置和反向偏置。對(duì)于反向偏置，V 為負(fù)值，遠(yuǎn)大于 VT (0.026 伏），因此 I 等于 I 0 .

等式（5）忽略了載流子生成和重組的影響。這種省略對(duì) Ge 器件有效，但對(duì) Si
器件無(wú)效。因此，PN二極管中電流I的更一般表達(dá)式是，

...........(6)

其中 Ge 為 Ge，2 為 Si 二極管，額定電流。

公式（5）顯示，正向電流呈指數(shù)增長(zhǎng)，結(jié)兩端的正向電壓V可用。

較大的前向偏差 |正向和反向偏置PN二極管

對(duì)于較大的前向偏置，V 等于 V 0 ，勢(shì)壘變?yōu)榱悖^(guò)二極管額定電流的非常大的電流往往會(huì)流動(dòng)。然而，在實(shí)際操作中，電流會(huì)受到二極管的體積電阻和歐姆觸點(diǎn)電阻的限制。因此，只有一小部分施加的正向偏置V出現(xiàn)在PN結(jié)上，電流主要由該總器件電阻控制。由于該總器件電阻是恒定的，因此伏安特性幾乎是一條直線(xiàn)。

例1：在Ge二極管中，反向飽和電流I0是 .計(jì)算 0.2、0.3 和 0.4 伏正向電壓在 300 K 室溫下的正向電流。

溶液：

在 V = 0.2 伏時(shí)，

在 V = 0.3 伏時(shí)，

在 V = 0.4 伏時(shí)，

教程問(wèn)題

在 Ge 二極管中，反飽和電流為 。計(jì)算 0.05 K
室溫下 0.1 伏、0.1 伏和 0.2 伏正向電壓的正向電流。

[答： ，]